Hydrodynamische Antriebe für industrielle Pumpenanwendungen

Energie und Elektrizität sind ein wesentlicher Bestandteil des modernen Lebens und wichtig für die Weltwirtschaft. Globale Energietrends zeigen die Nachfrage nach intelligenten technologischen Lösungen, die größtmögliche Zuverlässigkeit bieten und allen bevorstehenden Gefahren standhalten müssen. Um einen sicheren Betrieb zu gewährleisten, müssen die strengen Anforderungen der in diesen Branchen geltenden Normen eingehalten werden. Das moderne Wirtschaftsparadigma erfordert auch die Maximierung der betrieblichen Effizienz.

Rotierende Geräte und insbesondere Industriepumpen sind hinsichtlich Zuverlässigkeit und Effizienz die kritischsten Geräte. Die richtige Auswahl einer Industriepumpe ist für den gesamten Prozess wichtig. Moderne Industriepumpen müssen auch in verschiedenen Betriebsbereichen, in denen sich nicht nur Förderhöhe und Kapazität, sondern auch Flüssigkeitsdaten wie spezifisches Gewicht und Viskosität ändern, eine hohe Effizienz gewährleisten. Um diese Anforderung zu erfüllen, wird üblicherweise eine Pumpenregelung eingesetzt.

Dieser Artikel beschreibt verschiedene Arten der Pumpenregelung mit ihren Highlights und zeigt die Gesamtbetriebskosten für verschiedene Anwendungen. In diesem Artikel erfahren Anwender, wie insbesondere die Drehzahlregelung und der Einsatz einer Flüssigkeitskupplung zur Steigerung der Zuverlässigkeit und Effizienz des gesamten Betriebsablaufs beitragen.

Bild 1 zeigt drei Hauptmethoden der Pumpensteuerung: Drosselung, Verwendung einer Flüssigkeitskupplung und eines elektrischen Frequenzumrichters (VFD).

Bei der Drosselklappensteuerung wird die Pumpe direkt über einen Elektromotor mit fester Drehzahl angetrieben, der über eine Kupplung (normalerweise vom Typ Distanzstück) fest mit der Pumpe verbunden ist. Die Steuerung der Pumpenförderhöhe und -kapazität erfolgt dann über ein Drosselventil, das in der Druckleitung der Pumpe installiert ist. Aufgrund des hohen Verschleißes der Drosselklappe und des enormen Wirkungsgradabfalls ist diese Regelmethode nur eingeschränkt einsetzbar und wird meist dann eingesetzt, wenn nur ein schmaler Regelbereich erforderlich ist.

Beide Methoden, über eine Flüssigkeitskupplung oder einen VFD, verwenden eine Geschwindigkeitsregelung. Bei einer VFD-Anwendung drehen sich die Pumpe und der Motor (normalerweise über eine Distanzkupplung gekoppelt) mit der gleichen, vom VFD vorgegebenen Drehzahl. Bei der Flüssigkeitskupplungsoption wird ein Standardmotor mit fester Drehzahl verwendet und die Geschwindigkeitsregelung erfolgt über die Flüssigkeitskupplung. Daher erfordern VFD- und Flüssigkeitskupplungsanwendungen unterschiedliche Motoren. Bei der VFD-Steuerung muss ein Motor mit einem isolierten Lager sowie VFD-geeigneten Motoren mit einem höheren Betriebsfaktor im Vergleich zu Motoren mit fester Drehzahl ausgestattet sein. Dies kann zu einer größeren Motorrahmengröße und zusätzlichen damit verbundenen Kosten führen. Der Einsatz einer Flüssigkeitskupplung ermöglicht die Verwendung eines Standardmotors mit fester Drehzahl, was einen zusätzlichen Vorteil hinsichtlich Preis und Zuverlässigkeit darstellt.

Das Konzept der Flüssigkeitskupplung nutzt das Prinzip der Drehmomentübertragung mittels Flüssigkeitszirkulation zwischen zwei Laufrädern. Die mechanische Energie des Antriebs wird über das Pumpenrad in kinetische Energie und damit in Energie des Fluidstroms (Öl) umgewandelt und von dort im Turbinenrad wieder zurück in mechanische Energie umgewandelt. Die Drehzahl des Turbinenrads kann durch Ändern der Menge des zirkulierenden Öls (mit einem Schöpfrohr oder Schöpfrohr, solche Maschinen werden Flüssigkeitskupplungen genannt) oder durch die Verwendung verstellbarer Flügel (solche Maschinen werden Drehmomentwandler genannt) geändert werden.

Da kein direkter Metallkontakt zwischen Fahrer und Arbeitsmaschine besteht (Öl fungiert als drehmomentübertragendes Medium), ist Verschleiß bei dieser Art der Drehmomentübertragung nicht typisch.

Der Aufbau und die Hauptkomponenten der Flüssigkeitskupplung sind in Bild 2 dargestellt. Der Ölstrom zirkuliert mittels einer Ölpumpe durch den Ölkühler, die über ein Getriebe von der Antriebswelle angetrieben wird. Der Ölstrom wird dem Pumpenrad zugeführt, das starr mit der Antriebswelle gekoppelt ist, dort beschleunigt und an das Turbinenrad abgegeben, das starr mit der Welle der Arbeitsmaschine (Pumpe) gekoppelt ist.

Durch die Veränderung der Position des Schöpfrohrs verändert sich die Ölmenge, die zur Kraftübertragung beiträgt. Die daraus resultierende Konsequenz: Mehr Öl in der Flüssigkeitskupplung erhöht die Ausgangsdrehzahl zur Pumpe oder umgekehrt. Für die Energieübertragung zwischen Pumpenrad und Turbinenrad verbleibt immer ein Mindestschlupf von ca. 2 %. Bild 3 zeigt, wie sich die Kupplung entlang der Kennlinie entsprechend der Schöpfrohrposition verhält. Der typische Drehzahlregelbereich mittels Flüssigkeitskupplung liegt zwischen 20 % und 98 % der Motordrehzahl.

Ein weiteres Merkmal einer Flüssigkeitskupplung ist ihre Fähigkeit, auch als Schmierölsystem zu arbeiten, was erforderlich ist, wenn die Pumpe und/oder der Motor mit Gleitlagern arbeitet. Daher ist kein separates Schmierölsystem erforderlich.

Zum Abschluss des allgemeinen Überblicks über die VFD-Option ist anzumerken, dass es sich um eine ausgefeilte Technologie mit vielen Komponenten handelt, die die Projektlayouts erheblich komplexer machen. Ein typischer VFD mit 4 Megawatt (MW) und 6 Kilovolt (kV) besteht aus einem Transformatorabschnitt, einigen Stromnetzabschnitten und einem Steuerabschnitt und benötigt im Vergleich zu einer Flüssigkeitskupplung ziemlich viel Platz: etwa 6.000 Millimeter (mm) Breite, 1.500 mm Tiefe und 3.000 mm Höhe.

In diesem Artikel werden das folgende Beispiel und der Vergleich dreier wirtschaftlicher Hauptkriterien betrachtet: Kapitalaufwand (Capex), Energieeinsparungen und Wartungskosten. Der Antrag lautet wie folgt:

Die Aufteilung der Investitionsausgaben für alle drei Steuerungsoptionen ist in Bild 4 dargestellt, in der Folgendes vermerkt ist:

Die direkt angetriebene Pumpeneinheit erfordert ein Drosselauslassventil, das Teil des Hydrauliksystems ist und in der aktuellen Studie nicht berücksichtigt wird; Dies sollte jedoch auch bei der Auslegung des gesamten hydraulischen Systems berücksichtigt werden.

Die Pumpen sind für alle drei Pumpeneinheiten gleich: Eine Pumpe für eine Flüssigkeitskupplungsoption könnte einen großen Laufraddurchmesser haben, um den Schlupf der Flüssigkeitskupplung auszugleichen. Normalerweise ist es nur eine andere Laufradverkleidung, die keine Kostenänderung verursacht.

Direktantriebs- und Flüssigkeitskupplungsoptionen verwenden einen Motor mit fester Drehzahl, während eine VFD-Option einen speziellen Motor verwendet, der für VFD geeignet ist (mit isoliertem Lager). Die Kostensteigerung für diese spezielle Motorausführung beträgt normalerweise +5 % zum Preis des Motors mit fester Drehzahl.

Pumpeneinheiten mit Direktantrieb und VFD-Antrieb verwenden dieselbe Grundplatte; Die Grundplatte für eine Flüssigkeitskupplungsoption ist normalerweise etwas länger, da eine Flüssigkeitskupplung direkt auf der Grundplatte zwischen Pumpe und Motor installiert wird. Wenn jedoch ein Schmierölsystem erforderlich ist und auf der Grundplatte installiert werden soll, ist der Platzbedarf für alle drei Optionen nahezu gleich.

Für die Fluidkupplungsoption sind zwei Verbindungskupplungen pro Einheit erforderlich, während für den Direktantrieb und die VFD-Option nur eine pro Einheit erforderlich ist. Allerdings sind die Kosten für Verbindungskupplungen bei allen drei Optionen nahezu vernachlässigbar.

Die VFD-Kosten selbst sind im Vergleich zu den Kosten der Flüssigkeitskupplung höher. VFDs erfordern außerdem Schränke mit Zusatzgeräten (HLK-System); Je nach Projekt könnte ein separater Reinraum erforderlich sein – dies könnte zu Baukosten führen, die in der aktuellen Studie nicht berücksichtigt wurden, aber in der Kraftwerksentwurfsphase berücksichtigt werden müssen.

Die Gesamtinvestitionen für die Pumpeneinheit mit Flüssigkeitskupplungen sind im Vergleich zur direkt angetriebenen Pumpeneinheit um 41 % höher; Eine VFD-angetriebene Pumpeneinheit ist hinsichtlich der Investitionskosten doppelt so teuer wie die direkt angetriebene Pumpeneinheit.

In Anbetracht der Zuverlässigkeit der Drosselklappe und der Wartungskosten für beide Geschwindigkeitsregelungsoptionen handelt es sich bei der Flüssigkeitskupplung um ein mechanisches Gerät. Dabei handelt es sich um eine mit Öl betriebene Zentrifugalmaschine, die nur wenig jährliche Wartung erfordert. Eine Generalüberholung findet in der Regel alle acht Jahre statt. Ein VFD hingegen erfordert in der Regel mehr Ersatzteile und arbeitet jährlich. Auch größere Überholungen im Laufe der Lebensdauer werden häufiger durchgeführt. Bild 5 zeigt die Wartungskostendynamik für 30 Jahre für beide Frequenzumrichter (VSDs): Flüssigkeitskupplung und VFD. Die Daten basieren auf Marktexpertise und Betreiber-Feedback.

Acht Monate im Jahr läuft die Pumpe im Nennbetrieb und die restlichen vier Monate mit reduzierter Leistung. Bild 6 zeigt Pumpenkurven für diese Betriebspunkte und den zugehörigen Pumpenstromverbrauch.

Das Zusammenspiel einer Systemkurve (S1, S2, S3, S4) und Pumpenförderhöhenkurven (HQ) verursachen Pumpenbetriebspunkte. Betriebspunkt 1 ist der Nennbetriebspunkt der Pumpe, bei dem die Pumpe die meiste Zeit arbeitet. Die HQ-Kurve der Pumpe ist hier für die Nennmotordrehzahl ausgelegt, die bei Direktantrieb der Pumpendrehzahl entspricht. Bei Verwendung einer Flüssigkeitskupplung entspricht die Pumpendrehzahl der Drehzahl der Abtriebswelle der Flüssigkeitskupplung, die aufgrund des Schlupfes in einer Flüssigkeitskupplung etwas niedriger als die Motordrehzahl ist.

Um die gleichen Förderhöhen- und Kapazitätswerte beizubehalten, verwenden Pumpenhersteller unterschiedliche Laufradverkleidungen (größerer Durchmesser), was normalerweise keine Preisänderung zur Folge hat. Somit arbeitet die Pumpe weiterhin im Betriebspunkt 1 bei allen drei Regelungsmöglichkeiten als Nennwert. Durch Schließen des Drosselventils an der Druckleitung der Pumpe werden die Hydraulikkurven steiler und die Punkte 2, 3 und 4 werden erreicht. Bei der Drehzahlregelung verschiebt sich die Pumpenkurve aufgrund von Affinitätsgesetzen nach unten und es werden die Betriebspunkte 2, 3 und 4 erreicht. Affinitätsgesetze ermöglichen auch das Zeichnen der Kurven der verbrauchten Pumpenleistung. Da sich die aufgenommene Leistung der Pumpe um das Dreifache der Pumpendrehzahl ändert, zeigt sich, dass alle durch die Drehzahlregelung erreichten Betriebspunkte im Vergleich zur Drosselung weniger Leistung benötigen.

Bild 7 zeigt Energieeinsparungen gegenüber Drosselung. Dieses Diagramm berücksichtigt das Betriebsszenario, analysiert die verbrauchte Leistung und den Wirkungsgrad des Motors und beschreibt detailliert die Flüssigkeitskopplung über den VFD – einschließlich des integrierten Transformators und seiner Zusatzausrüstung. Beide Optionen ermöglichen Einsparungen gegenüber der Drosselklappensteuerung über eine Lebensdauer von 30 Jahren.

Fasst man alle drei wesentlichen wirtschaftlichen Aspekte (Investitionen, Wartungskosten und Energieeinsparungen) zusammen, zeigt sich, dass beide Geschwindigkeitsregelungsmethoden nicht nur die erforderlichen Betriebsmodi bereitstellen, sondern auch Geld sparen.

Zahlreiche Installationen weltweit und jahrelanger Betrieb bestätigen, dass die Flüssigkeitskupplung eine zuverlässige, robuste und kostengünstige Lösung für die Pumpensteuerung ist – nicht nur für den Strommarkt, sondern auch für viele Anwendungen in der Öl- und Gasindustrie.

Die Weiterentwicklung von Getriebe-VSDs nutzt ein Planetengetriebe und das Prinzip der separaten Kraftübertragung. Ein solcher Antrieb besteht aus einem Drehmomentwandler und einem Planetengetriebe, die beide im gleichen Gehäuse verbaut sind. Etwa 75 % der Leistung werden über ein Planetengetriebe übertragen, die restlichen 25 % über einen Drehmomentwandler. Durch die Veränderung der Stellung der Leitschaufeln (grün dargestellt) werden Drehzahl und Drehrichtung der Planetenträger angepasst und somit die Drehzahl des Sonnenrades reguliert. Das Sonnenrad ist fest mit der Abtriebswelle verbunden, die die angetriebene Maschine dreht.

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, die Pumpengeschwindigkeit zu regulieren; Die Auswahl wird durch die spezifischen Aufgaben und Betriebsbedingungen jedes einzelnen Projekts bestimmt. Die Zuverlässigkeit und Langlebigkeit sowie die hohe Effizienz von Flüssigkeitskupplungen und Getriebe-VSDs machen sie zu einer guten Lösung für die Regelung von Industriepumpen.

Aleksei Kobzev ist Vertriebsleiter bei Voith Turbo mit Erfahrung insbesondere in den Bereichen rotierende Anlagen und Pumpen. Kobzev ist unter [email protected] erreichbar. Weitere Informationen finden Sie unter voith.com.