EP4649238A1 - Verfahren zur überprüfung der eigenschaften eines fördermediums einer kreiselpumpe, insbesondere zur trockenlauferkennung - Google Patents

Verfahren zur überprüfung der eigenschaften eines fördermediums einer kreiselpumpe, insbesondere zur trockenlauferkennung

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EP4649238A1
EP4649238A1 EP23832693.8A EP23832693A EP4649238A1 EP 4649238 A1 EP4649238 A1 EP 4649238A1 EP 23832693 A EP23832693 A EP 23832693A EP 4649238 A1 EP4649238 A1 EP 4649238A1
Authority
EP
European Patent Office
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target speed
pump
torque
centrifugal pump
speed
Prior art date
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Pending
Application number
EP23832693.8A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Dr. Martin ECKL
Manuel SCHWERT
Dr. Stefan LAUE
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
KSB SE and Co KGaA
Original Assignee
KSB SE and Co KGaA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by KSB SE and Co KGaA filed Critical KSB SE and Co KGaA
Publication of EP4649238A1 publication Critical patent/EP4649238A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D15/00—Control, e.g. regulation, of pumps, pumping installations or systems
    • F04D15/0088—Testing machines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D15/00—Control, e.g. regulation, of pumps, pumping installations or systems
    • F04D15/0066—Control, e.g. regulation, of pumps, pumping installations or systems by changing the speed, e.g. of the driving engine
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D15/00—Control, e.g. regulation, of pumps, pumping installations or systems
    • F04D15/02—Stopping of pumps, or operating valves, on occurrence of unwanted conditions
    • F04D15/0209—Stopping of pumps, or operating valves, on occurrence of unwanted conditions responsive to a condition of the working fluid
    • F04D15/0218—Stopping of pumps, or operating valves, on occurrence of unwanted conditions responsive to a condition of the working fluid the condition being a liquid level or a lack of liquid supply
    • F04D15/0236—Lack of liquid level being detected by analysing the parameters of the electric drive, e.g. current or power consumption

Definitions

  • the invention relates to a method for checking the properties of a pumped medium of a centrifugal pump, in particular for dry running detection.
  • Centrifugal pumps are used to pump different types of fluid. Information about the fluid can be important for the proper and, in particular, energy-efficient operation of a centrifugal pump.
  • changes in the characteristic properties of the fluid such as a change in temperature or a change in density, can be important for efficient pump control or pump regulation, so there is a legitimate interest in a suitable method for determining these characteristic parameters of the fluid during pump operation.
  • dry-run detection Another important point for pump operation with wet-running centrifugal pumps is dry-run detection, because the medium to be pumped is regularly used to lubricate the rotating machine parts of the pump unit or to cool the pump, which is why dry running during pump operation can lead to increased wear or even thermal overload of the pump. Dry running of the pump is also an indication of drained pipes in the hydraulic system, which can lead to damage to the system. For this reason, dry-run detection is also important for pumps that are not wet-running. To avoid any consequences, In the case of damage, whether to the pump itself or to the hydraulic system, it is therefore desirable to detect such a condition early and reliably, especially regardless of the operating point.
  • the torque acting on the impeller decreases compared to a filled pipeline.
  • This circumstance can be exploited to reliably detect dry running.
  • the torque is recorded in the laboratory with the valve closed but the line filled for different speeds and the measured speed or the pair of torque values is stored in a table in the pump. Operation with the valve closed and the resulting zero flow corresponds to the "worst-case" scenario with the lowest possible torque with filled pipelines.
  • the stored torque values are the lowest that can occur with a filled pipeline. As soon as the torque during operation is lower than the reference torque stored in the table, dry running is concluded and the pump can issue a corresponding message.
  • the problems identified are solved by a method according to the features of claim 1.
  • Advantageous embodiments of the method are the subject of the dependent claims.
  • it is proposed to briefly vary the target speed for the speed-controlled centrifugal pump for the process of checking or detecting dry running.
  • the target speed is particularly preferably increased for a short period of time.
  • a motor variable characterizing the torque of the pump is then determined and evaluated taking into account at least one reference value. Based on the result of the evaluation, a statement can then be made about a change in the characteristic properties of the pumped medium and/or the presence of dry running can be detected.
  • a characteristic property that can be determined using the method according to the invention is, for example, the density and/or temperature of the conveying medium or a change in the density and/or temperature of the conveying medium compared to an initial value. Since the density of the conveying medium or its temperature influences the viscosity of the liquid and thus the required torque of the pump, a detected torque change at a specific speed can be used to make a statement about a deviation or change in the consistency of the conveying medium. This also applies if there is a pressure drop or dry running on the suction side, so that the corresponding torque to be applied by the pump motor is reduced.
  • the existing torque of the electric motor can be determined, for example, as a motor parameter to be recorded. It is conceivable here that the torque can be recorded directly using a torque sensor or, alternatively, that the torque can be derived from other motor parameters.
  • the torque can also be estimated, in particular using a motor model. It is also conceivable that the electrical power consumption of the motor and/or the motor current consumed are determined or estimated. Since the electrical power consumption or the motor current, in particular the current component that forms the motor torque, have a direct influence on the resulting torque or are proportional to it, the method according to the invention can also be carried out by evaluating these operating parameters.
  • the speed variation proposed according to the invention can be limited to a short-term increase in the target speed, whereby the motor parameter for the currently increased speed is determined and compared with a reference value assigned to the increased target speed.
  • the operating parameter e.g. the torque with a closed valve but a filled line
  • the measured speed or the pair of torque values is stored as a table in the pump.
  • the stored reference values are the lowest that can occur when the pipeline is filled. As soon as the operating parameter, e.g. the torque during operation, is lower than the reference value stored in the table, dry running is assumed and the pump can issue a corresponding message.
  • the speed increase sets the target speed to the maximum speed or to a value between 50 - 90% of the maximum speed, preferably to a value between 65 - 85% of the maximum speed.
  • the speed increase described above may not be permitted.
  • the dynamic change in the target speed inevitably causes a dynamic change in the motor parameter to be evaluated.
  • a correlating relationship between the time course of the target speed and the time course of the motor operating parameter is examined in particular. On the basis of the correlation, a physical property of the pumped medium, in particular a change in this property, can be concluded and/or the presence of dry running can be detected.
  • the existing mass inertia can be concluded by evaluating the time courses between the target speed and the reactively occurring torque or the recorded motor parameter and, based on this, a property of the pumped medium or any dry running can be detected.
  • the target speed is superimposed with a periodic signal so that the target speed has a periodic course during the observation period.
  • superimposition with an alternative time-variant signal is conceivable.
  • the mass inertia Due to the mass inertia, there is usually a time delay in the torque curve or the motor parameter compared to the time curve of the target speed. Against this background, it is useful to evaluate the phase shift between the time curve of the target speed and the time curve of the recorded motor parameter. If the viscosity of the pumped medium increases, the phase shift increases; if, however, the viscosity decreases, the phase shift inevitably also decreases. In a dry-running scenario, the phase shift is minimal due to the lack of pumped medium in the area of the impeller.
  • the amplitude value of the motor parameter, in particular the torque can also be determined and evaluated during the target speed fluctuating due to the superposition. With higher mass inertia, the torque amplitude or the amplitude of the motor parameter increases in magnitude. It makes sense to compare the determined amplitude value with a reference value or to determine the amplitude ratio to a reference amplitude.
  • phase offset or the amplitude ratio or the amplitude itself In order to record changes in the physical properties of the conveying medium or to detect dry running, it can therefore be provided to provide corresponding reference values for the phase offset or the amplitude ratio or the amplitude itself, whereby a change in the currently determined phase offset and/or the amplitude ratio compared to the reference value can be used to conclude that there has been a change in the conveying medium and, if necessary, that the medium is running dry.
  • the one or more reference values for the process execution can be obtained, for example, during a training run of the pump, in particular during commissioning or at regular times during pump operation. It is also conceivable to determine the reference values by means of previous measurements and to update them continuously.
  • the present invention also relates to a centrifugal pump, in particular a heating circulation pump, with an integral or external control/regulation that is configured to carry out the method according to the invention. Consequently, the centrifugal pump according to the invention has the same advantages and properties as have already been explained in detail with reference to the method according to the invention. For this reason, a repeated description is omitted.
  • Figure 1 a diagram showing the torque of a pump drive unit versus the speed for different pump conditions
  • Figure 2 an exemplary representation of the temporal torque curve after superposition with a periodic signal for the execution of the method according to the invention
  • Figure 3 an exemplary comparison of the target speed superimposed with a periodic signal and the resulting torque curve over time.
  • Figure 1 shows the torque of a centrifugal pump unit as a function of the set target speed of the pump.
  • the diagram shows a total of two curves.
  • the dotted line shows the torque PQO over the entire speed range for the case of a suction line completely filled with pumped medium, but with a closed valve in the suction line so that the pump operates with zero flow.
  • the solid line shows the torque Pory over the entire speed range when the pump is running dry.
  • the invention proposes to briefly increase the target speed of the speed-controlled centrifugal pump, for example to the speed value indicated in Figure 1 with the reference number 2. This allows dry running to be detected very reliably.
  • the speed for dry running detection is increased significantly, here by a factor of approximately three.
  • a short-term increase in the speed to a value in the range between 50% and 100% of the maximum speed enables the most reliable detection.
  • the advantage of the method is that it is very easy to implement.
  • the method can alternatively provide for an excitation of the target speed with a periodic signal, which not only enables dry running detection, but also allows information on the pumped medium to be obtained.
  • the current actual speed and the actual torque are available as estimated values from the motor control.
  • the phase shift or the amplitude of the torque depend on the inertia of the moving machine parts, e.g. impeller, shaft, etc. (known) and the pumped medium (to be determined). The process can be divided into two steps.
  • Step 1 Recording the phase shifts or torque amplitude in the normal state.
  • Step 1 takes place in the laboratory. In this case, different operating points are approached (various speed/torque combinations) with a defined reference medium and at a reference temperature and the target speed is determined by a higher frequency signal is superimposed (e.g. 10 Hz). For each of these operating points, the phase shift between the curve of the target speed and the torque curve or alternatively the torque amplitude is recorded. The resulting characteristic map is stored in the pump.
  • Step 2 Identifying different parameters in the field
  • the target speed is superimposed at regular intervals or once on request with the same higher frequency signal as previously in the laboratory and the phase shift between the target speed curve and the measured/estimated torque curve or alternatively the torque amplitude of the torque curve is recorded. If the phase shift or the torque amplitude is significantly lower than the reference value for the phase shift recorded in the laboratory, this can be interpreted as an indication of dry running.
  • the phase shift can also provide information about a density or temperature of the medium that deviates from the reference or an incorrect mixing ratio.
  • Figure 2 shows the simulated torque curve of a centrifugal pump, where the static target speed is superimposed with a periodic signal and the periodic torque curve marked with the reference number 10 results (corresponds to the laboratory setup).
  • Curve 20 shows the torque curve with an identical test setup, where the simulated mass inertia of the rotating part of the pump was increased by 50%. It is clearly visible that the amplitude of curve 20 is higher.
  • the ratio of the amplitudes, marked here with the reference number 40 is equal to the ratio of the simulated mass inertias.
  • the pump could recognize this deviation of 50% compared to the values recorded in the laboratory and conclude from this that the mass inertia has changed by 50%.
  • the density of the medium could also have changed equivalent to the mass inertia.
  • the mean value of the torque curves 30 is identical. This means that the information on the mass inertia would not be recognizable at a static target speed (without the application of a periodic signal).
  • Figure 3 shows the time curves of the target speed and the recorded torque.
  • Curve 50 corresponds to the target speed, which was superimposed with a periodic signal.
  • Curve 60 shows the resulting torque curve.
  • Reference number 70 marks the resulting phase offset between the two curves, which also increases with increasing mass inertia.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Control Of Non-Positive-Displacement Pumps (AREA)
  • Control Of Positive-Displacement Air Blowers (AREA)

Abstract

Diese Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überprüfung der Eigenschaften eines Fördermediums einer Kreiselpumpe, insbesondere zur Trockenlauferkennung, unter Verwendung einer drehzahlgeregelten Kreiselpumpe, wobei für die Überprüfung die Soll-Drehzahl der Kreiselpumpe kurzzeitig variiert, insbesondere erhöht wird, und ein das Drehmoment der Pumpe charakterisierender Motorparameter bestimmt und unter Berücksichtigung eines Referenzwertes ausgewertet wird, um eine Eigenschaft des Fördermediums oder einen Trockenlauf zu bestimmen.

Description

KSB SE & Co. KGaA 67227 Frankenthal
Beschreibung
Verfahren zur Überprüfung der Eigenschaften eines Fördermediums einer Kreiselpumpe, insbesondere zur Trockenlauferkennung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überprüfung der Eigenschaften eines Fördermediums einer Kreiselpumpe, insbesondere zur Trockenlauferkennung.
Kreiselpumpen dienen zur Förderung unterschiedlicher Fördermedien. Für den ordnungsgemäßen und insbesondere energieeffizienten Betrieb einer Kreiselpumpe können Informationen bezüglich des Fördermediums von Bedeutung sein. Insbesondere können Änderungen der charakteristischen Eigenschaften des Fördermediums, beispielsweise eine Temperaturänderung sowie eine Änderung der Dichte, von Bedeutung für die effiziente Pumpensteuerung bzw. Pumpenregelung sein, sodass ein berechtigtes Interesse an einem geeigneten Verfahren zur Bestimmung dieser charakteristischen Parameter des Fördermediums während des Pumpenbetriebes besteht.
Ein weiterer wichtiger Punkt für den Pumpenbetrieb bei nasslaufenden Kreiselpumpen ist eine Trockenlauferkennung, denn das zu fördernde Medium dient regelmäßig zur Schmierung der rotierenden Maschinenteile des Pumpenaggregates oder zur Kühlung der Pumpe, weshalb ein Trockenlauf während des Pumpenbetriebs zu einem erhöhten Verschleiß oder gar zu einer thermischen Überbelastung der Pumpe führen kann. Ein Trockenlauf der Pumpe ist auch ein Indiz für leergelaufene Rohre der Hydraulikanlage, was zu Schäden an der Anlage führen kann. Aus diesem Grund ist eine Trocken laufer- kennung auch bei nicht nasslaufenden Pumpen wichtig. Zur Vermeidung etwaiger Fol- geschäden, sei es an der Pumpe selbst oder der Hydraulikanlage, ist es daher wünschenswert, einen solchen Zustand frühzeitig und zuverlässig, insbesondere betriebspunktunabhängig zu erkennen.
Sind die Leitungen in einer hydraulischen Anlage nicht ausreichend mit der Flüssigkeit, das heißt dem Fördermedium befüllt, so sinkt das am Laufrad wirkende Drehmoment im Vergleich zu einer befüllten Rohrleitung. Dieser Umstand lässt sich ausnutzen, um einen Trockenlauf zuverlässig zu erkennen. Hierfür wird im Labor das Drehmoment bei geschlossenem Ventil aber befüllter Leitung für unterschiedliche Drehzahlen aufgezeichnet und die gemessene Drehzahl bzw. das Drehmomentwertepaar als Tabelle in der Pumpe hinterlegt. Der Betrieb bei geschlossenem Ventil und dadurch resultierendem Null-Förderstrom entspricht dem “worst-case“ Szenario mit geringstmöglichem Drehmoment bei gefüllten Rohrleitungen. Die hinterlegten Drehmomentwerte sind die niedrigsten, die bei befüllter Rohrleitung auftreten können. Sobald das Drehmoment im laufenden Betrieb niedriger ist als das in der Tabelle hinterlegte Referenzmoment, wird auf einen Trockenlauf geschlossen und die Pumpe kann eine entsprechende Meldung ausgeben.
Dieses Verfahren funktioniert für mittlere und hohe Drehzahlen zuverlässig, bei kleinen Drehzahlen sind jedoch die Drehmomentunterschiede zwischen befüllter Anlage mit geschlossenem Ventil und unbefüllter Anlage sehr gering, sodass eine zuverlässige Unterscheidung in einem solchen Betriebspunkt schwierig ist.
Vor diesem Hintergrund ist auch eine Optimierung des aufgezeigten Verfahrens dahingehend sinnvoll, dass eine Trockenlauferkennung zuverlässig für jeden Betriebspunkt möglich ist.
Gelöst werden die aufzeigten Probleme durch ein Verfahren gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausführungen des Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, die Soll-Drehzahl für die drehzahlgeregelte Kreiselpumpe für den Prozess zur Überprüfung bzw. Erkennung eines Trockenlaufs kurzzeitig zu variieren. Besonders bevorzugt wird die Soll-Drehzahl für einen kurzen Zeitpunkt erhöht. Bei geänderter Drehzahl wird dann eine das Drehmoment der Pumpe charakterisierende Motorgröße bestimmt und unter Berücksichtigung wenigstens eines Referenzwertes ausgewertet. Basierend auf dem Ergebnis der Auswertung kann dann eine Aussage über eine eingetretene Änderung der charakteristischen Eigenschaften des Fördermediums getätigt werden und/oder das Vorliegen eines Trockenlaufs erkannt werden.
Eine charakteristische Eigenschaft, die mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens bestimmt werden kann, ist beispielsweise die Dichte und/oder Temperatur des Fördermediums bzw. eine Änderung der Dichte und/oder der Temperatur des Fördermediums gegenüber einem initialen Wert. Da die Dichte des Fördermediums bzw. auch dessen Temperatur die Viskosität der Flüssigkeit und somit das erforderliche Drehmoment der Pumpe beeinflussen, kann durch eine erfasste Drehmomentänderung bei einer spezifischen Drehzahl damit eine Aussage über eine Abweichung bzw. Änderung der Konsistenz des Fördermediums getroffen werden. Dies gilt gleichermaßen für den Fall, dass saugseitig ein Druckabfall bzw. ein Trockenlauf vorliegt, sodass das entsprechend aufzubringende Drehmoment durch den Motor der Pumpe reduziert ist.
Als zu erfassender Motorparameter kann beispielsweise das bestehende Drehmoment des Elektromotors bestimmt werden. Denkbar ist hier eine unmittelbare Erfassung des Drehmomentes per Drehmomentgeber oder alternativ die Ableitung des Drehmomentes aus anderen Motorparametern. Das Drehmoment kann auch geschätzt werden, insbesondere unter Verwendung eines Motormodells. Vorstellbar ist es ebenso, dass die elektrische Leistungsaufnahme des Motors und/oder der aufgenommene Motorstrom bestimmt bzw. geschätzt werden. Da die elektrische Leistungsaufnahme bzw. der Motorstrom, insbesondere die das Motordrehmoment bildende Strom kom ponente, unmittelbaren Einfluss auf das resultierende Drehmoment haben bzw. proportional zu diesem sind, kann das erfindungsgemäße Verfahren auch durch Auswertung dieser Betriebsparameter ausgeführt werden. Wie bereits eingangs aufgezeigt wurde, funktioniert eine Trockenlauferkennung bei mittleren sowie höheren Drehzahlen zuverlässig, lediglich bei geringeren Drehzahlen ist die Variation des Drehmomentes oftmals zu gering, sodass keine verlässliche Aussage möglich ist. Vor diesem Hintergrund ist es zielführend, das vorgeschlagene Verfahren nur dann auszuführen, wenn die Kreiselpumpe aktuell mit einer zu niedrigen Drehzahl betrieben wird. Nur für diesen Fall ist es notwendig, die Soll-Drehzahl künstlich zu variieren bzw. anzuheben, um eine zuverlässige Trockenlauferkennung bzw. Überprüfung der Eigenschaften des Fördermediums ausführen zu können. Die Ausführung des Verfahren kann daher unter die Bedingung gestellt sein, dass die aktuell eingestellte Soll- Drehzahl kleiner als ein definierbarer Schwellwert ist.
Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Drehzahlvariation kann sich im einfachsten Fall in einer kurzzeitigen Erhöhung der Soll-Drehzahl erschöpfen, wobei der Motorparameter für die aktuell erhöhte Drehzahl bestimmt und gegen einen der erhöhten Soll-Drehzahl zugeordneten Referenzwert verglichen wird. Für die vorgelagerte Ermittlung des zugeordneten Referenzwertes wird bspw. vorab im Labor oder unter realen Betriebsbedingungen der Betriebsparameter, bspw. das Drehmoment bei geschlossenem Ventil aber befüllter Leitung für unterschiedliche Drehzahlen aufgezeichnet und die gemessene Drehzahl bzw. das Drehmomentwertepaar als Tabelle in der Pumpe hinterlegt. Die hinterlegten Referenzwerte sind die niedrigsten, die bei befüllter Rohrleitung auftreten können. Sobald der Betriebsparameter, bspw. das Drehmoment im laufenden Betrieb niedriger ist als der in der Tabelle hinterlegte Referenzwert, wird auf einen Trockenlauf geschlossen und die Pumpe kann eine entsprechende Meldung ausgeben.
Besonders bevorzugt ist es, wenn die Drehzahlerhöhung die Soll-Drehzahl auf die maximale Drehzahl setzt bzw. auf einen Wert zwischen 50 - 90% der maximalen Drehzahl, bevorzugt auf einen Wert zwischen 65 - 85% der maximalen Drehzahl.
Abhängig vom Anwendungsfall der Pumpe kann jedoch die vorbeschriebene Drehzahlerhöhung nicht zugelassen sein. Alternativ wird daher vorgeschlagen, die aktuelle Soll- Drehzahl mit einem zeitvariablen Signal zu überlagern, sodass es in der Folge zu einer definierten zeitlichen Änderung bzw. Schwankung der Soll-Drehzahl über einen bestimmten Zeitraum kommt, jedoch bevorzugt nur mit begrenzter betragsmäßiger Erhöhung der Drehzahl. Die dynamische Änderung der Soll-Drehzahl bewirkt zwangsläufig eine dynamische Änderung des auszuwertenden Motorparameters. Für die weitere Auswertung wird insbesondere ein korrelierender Zusammenhang zwischen dem Zeitverlauf der Soll-Drehzahl und dem Zeitverlauf des Motorbetriebsparameters untersucht. Auf Grundlage der Korrelation kann auf eine physikalische Eigenschaft des Fördermediums, insbesondere auf eine Änderung dieser Eigenschaft geschlossen und/oder das Vorliegen eines Trockenlaufs erkannt werden. Da der Systemdruck am Saugstutzen sowie die Eigenschaften des Fördermediums die Massenträgheit des Pumpenaggregats beeinflussen, kann durch Auswertung der Zeitverläufe zwischen der Sollvorgabe der Drehzahl sowie des sich reaktiv einstellenden Drehmomentes bzw. des erfassten Motorparameters auf die vorliegende Masseträgheit geschlossen werden und darauf basierend eine Eigenschaft des Fördermediums bzw. ein etwaiger Trockenlauf erkannt werden.
Bevorzugt ist es beispielsweise, wenn die Soll-Drehzahl mit einem periodischen Signal überlagert wird, sodass es im Beobachtungszeitraum zu einem periodischen Verlauf der Soll-Drehzahl kommt. Denkbar ist jedoch die Überlagerung mit einem alternativen Zeitvarianten Signal.
Aufgrund der Massenträgheit kommt es üblicherweise zu einer zeitlichen Verzögerung des Drehmomentverlaufs bzw. des Motorparameters gegenüber dem Zeitverlauf der Soll-Drehzahl. Vor diesem Hintergrund ist die Auswertung des Phasenversatzes zwischen dem Zeitverlauf der Soll-Drehzahl und dem Zeitverlauf des erfassten Motorparameters sinnvoll. Nimmt die Viskosität des Fördermediums zu, vergrößert sich der Phasenversatz, kommt es hingegen zu einer Abnahme der Viskosität, so reduziert sich zwangsläufig auch der Phasenversatz. Bei einem Trockenlaufszenario ist der Phasenversatz aufgrund des fehlenden Fördermediums im Bereich des Laufrades minimal. Alternativ oder ergänzend dazu kann auch der Amplitudenwert des Motorparameters, insbesondere des Drehmomentes, während der aufgrund der Überlagerung schwankenden Soll-Drehzahl bestimmt und ausgewertet werden. Bei höherer Massenträgheit steigt die Drehmomentamplitude bzw. die Amplitude des Motorparameters betragsmäßig an. Sinnvollerweise erfolgt ein Vergleich des ermittelten Amplitudenwertes mit einem Referenzwert bzw. es wird das Amplitudenverhältnis zu einer Referenzamplitude bestimmt.
Für die Erfassung von Änderungen der physikalischen Eigenschaften des Fördermediums bzw. zur Erkennung eines Trockenlaufs kann es daher vorgesehen sein, entsprechende Referenzwerte für den Phasenversatz bzw. das Amplitudenverhältnis oder die Amplitude selbst vorzuhalten, wobei bei einer Änderung des aktuell ermittelten Phasenversatzes und/oder des Amplitudenverhältnisses gegenüber dem Referenzwert auf eine Änderung des Fördermediums und ggf. auf einen Trockenlauf geschlossen werden kann.
Die ein oder mehreren Referenzwerte für die Verfahrensausführung können beispielsweise während einer Trainingsfahrt der Pumpe, insbesondere bei Inbetriebnahme oder zu regelmäßigen Zeitpunkten, während des Pumpenbetriebs gewonnen werden. Denkbar ist es auch, die Referenzwerte durch jeweils vorangehende Messungen zu bestimmen und kontinuierlich zu aktualisieren.
Neben dem erfindungsgemäßen Verfahren betrifft die vorliegende Erfindung ebenfalls eine Kreiselpumpe, insbesondere eine Heizungsumwälzpumpe, mit einer integralen o- der externen Steuerung/Regelung, die konfiguriert ist zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Demzufolge ergeben sich für die erfindungsgemäße Kreiselpumpe dieselben Vorteile und Eigenschaften, wie sie bereits anhand des erfindungsgemäßen Verfahrens ausführlich dargelegt wurden. Auf eine wiederholende Beschreibung wird aus diesem Grund verzichtet.
Weitere Vorteile und Eigenschaften der Erfindung sollen nachfolgend anhand der mittels der Figuren erläuterten Ausführungsbeispiele beschrieben werden. Es zeigen: Figur 1 : eine Diagrammdarstellung des Drehmomentes eines Pumpenantriebsaggregates gegenüber der Drehzahl für unterschiedliche Pumpenzustände,
Figur 2: eine exemplarische Darstellung des zeitlichen Drehmomentverlaufs nach Überlagerung mit einem periodischen Signal für die Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, und
Figur 3: eine exemplarische Gegenüberstellung der mit einem periodischen Signal überlagerten Soll-Drehzahl sowie des resultierenden Drehmomentverlaufs über der Zeit.
Figur 1 zeigt das Drehmoment eines Kreiselpumpenaggregates in Abhängigkeit der eingestellten Soll-Drehzahl der Pumpe. In der Diagrammdarstellung sind insgesamt zwei Kurvenverläufe gezeigt. Die gepunktete Linie stellt den Verlauf des Drehmoments PQO über den gesamten Drehzahlbereich für den Fall einer vollständig mit Fördermedium gefüllten Saugleitung dar, jedoch mit geschlossenem Ventil in der Saugleitung, so dass die Pumpe mit einem Nullförderstrom arbeitet. Die durchgezogene Linie zeigt den Verlauf des Drehmomentes Pory über den gesamten Drehzahlbereich bei Trockenlauf der Pumpe.
Insgesamt ist erkennbar, dass mit zunehmender Drehzahl die Abweichung zwischen de Drehmoment Pory bei Trockenlauf und dem Drehmoment PQO bei ordnungsgemäß be- füllter Pumpe größer wird, das beschriebene Verfahren funktioniert bei mittleren und hohen Drehzahlen daher sehr genau. Insbesondere im Bereich geringer Drehzahlen, bspw. bei der mit dem Bezugszeichen 1 markierten Drehzahl, sind die Drehmomentunterschiede bzw. Unterschiede in der Leistungsaufnahme zwischen befüllter Anlage mit geschlossenem Ventil und unbefüllter Anlage sehr gering bzw. teilweise kaum existent. Eine zuverlässige Unterscheidung, ob tatsächlich Trockenlauf vorliegt oder ob nur das Ventil geschlossen ist, ist in diesem Drehzahlbereich schwierig. Zur Lösung des vorgenannten Problems wird daher erfindungsgemäß vorgeschlagen, die Soll-Drehzahl der drehzahlgeregelten Kreiselpumpe kurzfristig zu erhöhen, bspw. auf den in der Figur 1 mit dem Bezugszeichen 2 gekennzeichneten Drehzahlwert. Hier lässt sich der Trockenlauf sehr zuverlässig erkennen. Gemäß der Figurendarstellung wird die Drehzahl für die Trockenlauferkennung deutlich angehoben, hier um einen Faktor von ca. drei. Grundsätzlich kann festgehalten werden, dass eine kurzzeitige Anhebung der Drehzahl auf einen Wert im Bereich zwischen 50% bis 100% der maximalen Drehzahl die zuverlässigste Erkennung ermöglicht. Der Vorteil des Verfahrens besteht darin, dass sich das Verfahren sehr einfach umsetzen lässt.
Da bei bestimmten Prozessen möglicherweise bereits eine temporäre Drehzahlerhöhung im oben vorgeschlagenen Umfang nicht erlaubt sein kann, kann das Verfahren alternativ eine Anregung der Soll-Drehzahl mit einem periodischen Signal vorsehen, was nicht nur eine Trockenlauferkennung ermöglicht, sondern wodurch auch Informationen zum geförderten Medium gewonnen werden können.
Es wird vorgeschlagen, im Rahmen einer Param eteridentifikation die aktuelle Soll-Drehzahl mit einem periodischen Signal zu beaufschlagen, um dann die Phasenverschiebung zwischen dem Soll-Drehzahlverlauf und dem sich einstellenden (gemessenen o- der geschätzten) Drehmomentverlauf zu betrachten. Alternativ kann auch die Amplitude des gemessenen oder geschätzten Drehmomentverlaufs betrachtet werden.
Bei der drehzahlgeregelten Kreiselpumpe stehen die aktuelle Ist-Drehzahl und das Ist- Drehmoment als Schätzwerte von der Motor-Regelung zur Verfügung. Die Phasenverschiebung bzw. die Amplitude des Drehmoments sind abhängig von der Trägheit der bewegten Maschinenteile, bspw.: Laufrad, Welle, etc. (bekannt) sowie das Fördermedium (zu bestimmen). Das Verfahren kann in zwei Schritte unterteilt werden.
Schritt 1 : Erfassen der Phasenverschiebungen bzw. Drehmomentamplitude im Normalzustand. Der Schritt 1 erfolgt im Labor. Hierbei werden bei definiertem Referenzmedium und bei Referenztemperatur unterschiedliche Betriebspunkte angefahren (diverse Dreh- zahl/Drehmoment-Kombinationen) und die Soll-Drehzahl von einem höherfrequenten Signal überlagert (bspw. 10 Hz). Für jeden dieser Betriebspunkte wird die Phasenverschiebung zwischen dem Verlauf der Soll-Drehzahl und dem Drehmomentverlauf oder alternativ die Drehmomentamplitude aufgezeichnet. Das dadurch entstehende Kennfeld wird in der Pumpe hinterlegt.
Schritt 2: Erkennen unterschiedlicher Parameter im Feld
Während die Pumpe läuft, wird in regelmäßigen Abständen oder einmalig auf Anfrage die Soll-Drehzahl mit dem gleichen höherfrequenten Signal wie zuvor im Labor überlagert und die Phasenverschiebung zwischen dem Soll-Drehzahlverlauf und dem gemes- senen/geschätzten Drehmomentverlauf bzw. alternativ die Drehmomentamplitude des Drehmomentverlaufs aufgezeichnet. Sollte die Phasenverschiebung bzw. die Drehmomentamplitude deutlich niedriger sein als der im Labor aufgezeichnete Referenzwert für die Phasenverschiebung, so kann dies als Hinweis auf das Vorliegen eines Trockenlaufs gewertet werden. Ferner kann die Phasenverschiebung Aufschluss auf eine von der Referenz abweichende Dichte ober Temperatur des Mediums bzw. ein falsches Mischungsverhältnis geben.
Exemplarisch zeigt Figur 2 den simulierten Drehmomentverlauf einer Kreiselpumpe, wobei die statische Soll-Drehzahl mit einem periodischen Signal überlagert ist und der mit dem Bezugszeichen 10 gekennzeichnete periodische Verlauf des Drehmoments resultiert (entspricht dem Laboraufbau). Die Kurve 20 zeigt den Drehmomentverlauf bei identischem Testaufbau, wobei die simulierte Massenträgheit des rotierenden Teils der Pumpe um 50 % erhöht wurde. Deutlich erkennbar ist, dass die Amplitude der Kurve 20 höher ausfällt. Das Verhältnis der Amplituden, hier mit dem Bezugszeichen 40 markiert, ist gleich dem Verhältnis der simulierten Massenträgheiten. Die Pumpe könnte diese Abweichung von 50 % gegenüber den hinterlegten im Labor aufgezeichneten Werten erkennen und daraus auf eine Veränderung der Massenträgheit von 50 % schließen. Äquivalent zur Massenträgheit könnte sich auch die Dichte des Mediums verändert haben. Der Mittelwert der Drehmomentverläufe 30 ist identisch. Das bedeutet, die Informationen der Massenträgheit wäre bei statischer Soll-Drehzahl (ohne Beaufschlagung eines periodischen Signals) nicht erkennbar.
In Figur 3 sind nun die zeitlichen Verläufe der Soll-Drehzahl und des erfassten Drehmomentes dargestellt. Die Kurve 50 entspricht der Soll-Drehzahl, die mit einem periodischen Signal überlagert wurde. Die Kurve 60 zeigt den resultierenden Drehmomentverlauf. Das Bezugszeichen 70 markiert den resultierenden Phasenversatz zwischen beiden Kurvenverläufen, der mit zunehmender Massenträgheit ebenfalls größer wird. Vorsorglich wird darauf hingewiesen, dass in der Abbildung der Figur 3 der Drehzahlverlauf 50 und der Drehmomentverlauf 60 zur besseren Nachvollziehbarkeit des Phasenversatzes übereinander geschoben wurden

Claims

Patentansprüche Verfahren zur Überprüfung der Eigenschaften eines Fördermediums einer Kreiselpumpe, insbesondere zur Trockenlauferkennung
1 . Verfahren zur Überprüfung der Eigenschaften eines Fördermediums einer Kreiselpumpe, insbesondere zur Trockenlauferkennung, unter Verwendung einer drehzahlgeregelten Kreiselpumpe, wobei für die Überprüfung die Soll-Drehzahl der Kreiselpumpe kurzzeitig variiert, insbesondere erhöht wird, und ein das Drehmoment der Pumpe charakterisierender Motorparameter bestimmt und unter Berücksichtigung eines Referenzwertes ausgewertet wird, um eine Eigenschaft des Fördermediums zu bestimmen und/oder das Vorliegen eines Trockenlaufs zu erkennen.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass mittels des Verfahrens eine Änderung der Dichte und/oder eine Temperaturänderung des Fördermediums gegenüber einem Referenzwert bestimmt wird.
3. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als das Drehmoment der Pumpe charakterisierender Motorparameter das erzeugte Drehmoment der Pumpe bestimmt wird, insbesondere geschätzt wird, und/oder die elektrische Leistungsaufnahme des Motors und/oder der aufgenommene Motorstrom bestimmt bzw. geschätzt wird.
4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst geprüft wird, ob die aktuelle Soll-Drehzahl unter einem Mindestwert liegt und eine Variation bzw. Erhöhung der Soll-Drehzahl nur dann erfolgt, wenn die aktuelle Soll-Drehzahl unter dem Mindestwert liegt.
5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahlvariation eine kurzzeitige Erhöhung der Soll-Drehzahl vorsieht, der Motorparameter für die aktuell erhöhte Soll-Drehzahl bestimmt und gegen einen der erhöhten Soll-Drehzahl zugeordneten Referenzwert verglichen wird, wobei ein Trockenlauf erkannt wird, wenn der Motorparameter kleiner ist als der Referenzwert ist oder um mindestens einen definierten Wert kleiner ist als der Referenzwert.
6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Soll-Drehzahl für die Überprüfung für eine bestimmte Zeitspanne mit einem zeitvariablen Signal überlagert wird, insbesondere mit einem periodischen Signal überlagert wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass anhand einer Korrelation zwischen dem resultierenden Soll-Drehzahlverlauf und dem Zeitverlauf des Motorparameters eine Eigenschaft des Fördermediums oder das Vorliegen eines Trockenlaufs erkannt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Phasenversatz zwischen dem Zeitverlauf der Soll-Drehzahl und dem Zeitverlauf des Motorparameters ausgewertet und bevorzugt gegen einen Referenzwert verglichen wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Amplitude des Motorparameters während der Überlagerung der Soll-Drehzahl ermittelt wird und bevorzugt gegen einen Referenzwert verglichen wird.
10. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ein oder mehreren Referenzwerte durch eine, unter Normalbedingungen ausgeführte Trainingsprozedur ermittelt werden.
11 . Kreiselpumpe, insbesondere Heizungsumwälzpumpe, mit einer integralen oder externen Steuerung konfiguriert zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche.
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