Implementierung von eingebetteten Sensorsystemen in Kreiselpumpen zur Weiterentwicklung der Regelung und Optimierung des Pumpensystems

Abstract

Aufgrund der weitgreifenden Anwendungsgebiete von Kreiselpumpen tragen sie zu einem erheblichen Teil zum weltweiten Energieverbrauch bei. Darin begründet sich die stetige Optimierung der Energieeffizienz von Pumpen, Regelverfahren und anwendungsorientierten Pumpensystemen. Seit Jahren steigt die Anzahl an wissenschaftlichen Arbeiten zur Identifikation des Betriebspunktes von Kreiselpumpen. Neben dem großen Einfluss des Betriebspunktes auf die Lebensdauer und die Energieeffizienz der Pumpen, lässt sich durch diesen das Pumpensystem charakterisieren. Die Charakterisierung ist für die Analyse des Pumpensystem notwendig. Im Ergebnis können Optimierungspotentiale aufgefunden und die Regelung anwendungsorientiert weiterentwickelt werden. In der vorliegenden Arbeit wird ein Softsensor zur Identifikation des Förderstromes radialer Kreiselpumpen entwickelt und im Rahmen eines eingebetteten Sensorsystems in eine Kreiselpumpe implementiert. Das eingebettete Sensorsystem wird anhand von drei Testszenarien unter realen Betriebsbedingungen getestet. Es wird untersucht, welche Genauigkeit sich bei der Abbildung der Pumpen- und Anlagencharakteristiken erreichen lassen. Dies erfolgt anhand der Berechnung und Validierung von Regelkennlinien. Der Fokus bei der Entwicklung der Softsensorik liegt auf der Toleranz gegenüber dem Einfluss von Vordrall im Zustrom der Pumpe und den daraus entstehenden Änderungen der Pumpenkennlinien. Hierzu wird ein physikalisches Modell zur Abbildung der Kennlinien radialer Kreiselpumpen vorgestellt. Wesentlicher Bestandteil des physikalischen Modells ist die Kenntnis der Reibungsleistung der Gleitringdichtung. Sie stellt eine mechanische Verlustleistung dar. Um die Reibungsleistung zu identifizieren, wird ein weiterer Softsensor vorgestellt. Dieser eignet sich zudem zur Bestimmung des Verschleißverhaltens der Gleitringdichtung. Durch ein zeitdiskretes mehrdimensionales Optimierungsverfahren werden der Förderstrom und der den Vordrall charakterisierende Vordrallwinkel bestimmt. Es wird nachgewiesen, dass durch diesen Algorithmus der Förderstrom auch beim Auftreten von Vordrall im Zustrom mit tolerierbaren Abweichungen identifiziert werden kann. Gegenwärtig können Kreiselpumpen in festen Konfigurationen von den Herstellern bezogen werden. Bei der Auslegung der Pumpen auf den systemspezifischen Anwendungsfall werden stets Kompromisse eingegangen. Diese führen oftmals zu einer Reduzierung der Energieeffizienz. Demnach erwächst die Vermutung, dass durch eine Individualisierung der Pumpen anhand der Spezifika der Pumpensysteme weitere Optimierungspotentiale genutzt werden könnten. Dazu werden in der Arbeit variierende Designvarianten additiv gefertigter Laufräder untersucht. Diese sind auf die Betriebspunkte und systemspezifische Vordrallwinkel ausgelegt worden. Es wird nachgewiesen, dass daraus weitere Optimierungspotentiale im Wirkungsgrad der Pumpen erreicht werden können.