Verfahrenstechnik 5/2015

Lohnende Veränderung

Lohnende Veränderung Energetische Optimierung von Kesselspeisewasserpumpen Gino Valerio Bruno, Frank Opitz Nach einer Studie des Fraunhofer Instituts für System- und Innovationsforschung (ISI) schlummern die größten Effizienzreserven nicht in den Kern-, sondern in den Nebenprozessen. Hier stehen vor allem die Strömungsmaschinen, allen voran die Pumpen, im Fokus. Mit einer besseren hydraulischen Auslastung und vor allem einer optimierten Anlagenregelung können die Energiekosten halbiert werden. Autoren: Gino Valerio Bruno, Pumpen Binek GmbH, Lehrte; Frank Opitz, Grundfos GmbH, Erkrath D as Unternehmen Avacon Natur GmbH bietet maßgeschneiderte Energiekonzepte aus einer Hand an. Im Mittelpunkt stehen dabei ökologisch und ökonomisch vernünftige, dezentrale Energielösungen für die Kunden. Im Rahmen dieser Tätigkeit betreibt das Unternehmen ein Dampfkesselheizwerk in Nordstemmen, dessen erzeugte Energieprodukte an ein überregional tätiges Industrieunternehmen in der Lebensmittelindustrie geliefert werden. Dort werden ganzjährig verschiedene Sorten Flüssigzucker, Mischungen mit flüssigen und kristallinen Komponenten sowie Fondant und Fruktosesirup produziert. Für die verschiedenen Produktionsprozesse und Produktionsbereiche wird vollentsalztes Wasser (VE-Wasser) sowie Heißdampf benötigt. Für diesen industriellen Einsatz ist herkömmliches Leitungswasser ungeeignet, da im Medium noch mineralische Stoffe enthalten sind. Kalk und Salz können Produktionsprozesse negativ beeinflussen. Daher werden diese unerwünschten Inhaltsstoffe über verschiedene Verfahrensschritte, u. a. über eine Umkehrosmoseanlage, separiert. Damit sind jedoch die geltenden Anforderungen an die Kesselspeisewasser-Qualität noch nicht erfüllt. Nötig ist eine Reduzierung der im Wasser enthaltenen korrosionsfördernden Gase wie Sauerstoff (O 2 ) und Kohlendioxid (CO 2 ). Dieser Verfahrensschritt erfolgt über eine Entgasungsanlage mit Entgasungsdom (Rieselentgasung). Nach diesem Prozess wird das über 100 °C heiße Wasser über eine Pumpenanlage in die Dampfkessel gefördert. Für die einzelnen Produktionsbereiche werden dann die benötigten Mengen je nach Bedarf abgerufen. Ungeregelte Pumpen sind Energiefresser In vielen Industrieanlagen werden heute noch ungeregelte Pumpen eingesetzt. Bei Planung bzw. Einbau war es seinerzeit eine Entscheidung nach den vorliegenden Rahmenbedingungen in der zu realisierenden Anlage derartige Pumpen einzusetzen. Heute aber sind diese Anlagen in vielen Fällen nicht mehr geeignet, da der Energie- 28 VERFAHRENSTECHNIK 5/2015

PUMPEN I TOP-THEMA verbrauch zu hoch und sie damit betriebswirtschaftlich ineffizient sind. Auch im Heizwerk Nordstemmen waren die zwischen Entgasungsanlage und Dampfkessel angeordneten Kesselspeisewasser- Pumpen ungeregelt. Sie liefen ständig auf Volllast, da sie sich an den tatsächlichen Bedarf nicht automatisch anpassen konnten. Der Grund war, dass bei der Planung der Dampfkesselanlage von einer kontinuierlichen und stabilen Lastabnahme ausgegangen wurde. Im Laufe der Jahre hatte sich allerdings das Lastverhalten – bedingt durch Produktionsschwankungen beim Endabnehmer – verändert. Im Rahmen einer geplanten Pumpenerneuerung wurde nun gemeinsam mit dem Auftragnehmer nach einer Lösung gesucht, eine energetische Optimierung der Kesselspeisewasser-Pumpen zu erzielen. Um einen Vergleich zu erhalten wurde eine Anlage (bestehend aus zwei Altpumpen) weiter betrieben. Die zweite Anlage sollte hingegen mit geregelten Pumpen ausgestattet werden. Mit der Neukonzeption der Anlage mit dem Ziel, die ungeregelten gegen drehzahlgeregelte Pumpen auszutauschen, wurde das Unternehmen Pumpen Binek GmbH beauftragt. Gemeinsam mit der Grundfos GmbH konnte eine optimale, energiesparende Lösung erarbeitet werden. Intelligente Pumpenanlagen sparen Energie 01 Durch den kavitationsfreien Betrieb wird die Lebensdauer der Pumpen erhöht und der Reparaturbedarf gesenkt Die Dampfkesselanlage des Heizwerks ist auf eine maximale Leistung von 10 t/h ausgelegt. Diese Dampfmenge wird in zwei Kesseln mit je 5 t/h erzeugt. Kessel I wird nach dem Umbau der Anlage mit frequenzgeregelten Pumpen gespeist. Bei Kessel II wird hingegen noch auf herkömmliche ungeregelte Technik zurückgegriffen. Die „Neu-Anlage“ besteht aus zwei Hochdruck- Kreiselpumpen CRE 10-16 mit einer Steuerung Control MPC-E 2x5.5E sowie einem Vortex Durchflussmesser VFI. Eine Besonderheit hierfür ist die Volumensteuerung. Die neuen drehzahlgeregelten Kesselspeisewasser-Pumpen werden nicht über Druck oder Niveau, sondern über Mengenmessung (direkte Volumensteuerung) geregelt. Die Messstrecke ist dabei so dimensioniert, dass der maximal auftretende Druckverlust in einem energetisch vertretbaren Rahmen gehalten wird, gleichzeitig aber auch ein messbarer Volumenstrom über den ganzen Regelbereich ermittelt werden kann. Bei dieser Vorgehensweise können Regelarmaturen und Eindrosselungen vollständig entfallen. Der maximale Sollwert des Volumenstroms wird entsprechend der maximalen Kesselleistung festgelegt. Er entspricht damit dem Stellsignal des Kessel-Nachspeisereglers von 100 %. Dieser Sollwert wird durch das Stellsignal des Kesselspeisewasser- Reglers nach „unten“ verschoben bis bei 0 % Stellsignal ein Mindestsollwert erreicht wird. Dieser Wert entspricht dem minimal erforderlichen Volumenstrom der Pumpe(n). Bei dieser Regelungsvariante können die Hochdruck-Kreiselpumpen nicht mehr außerhalb der Kennlinie laufen. Damit ist auch die Gefahr von Kavitation gebannt. Auch ein zu niedriger Volumenstrom, einhergehend mit einer Mangelschmierung der Pumpen, ist nicht mehr zu befürchten. Zudem sind die Aggregate durch diese Regelungsvariante bei schwankenden Dampfdrucken geschützt. Die hier eingesetzten Hochdruck-Kreiselpumpen verfügen über eine ausgereifte Technik, hochwertige Werkstoffe und verschleißarme Lager. Eine Besonderheit ist 02 Über die Steuerung wird die Anlage so geregelt, dass die Pumpen stets innerhalb der Kennlinie laufen auch die einzigartige Patronen-Gleitringdichtung. Diese besteht aus hochverschleißfesten Werkstoffen. Dank der Patronenbauweise können die Dichtungselemente nicht falsch zusammengebaut werden. Die empfindlichen Gleitflächen können nicht mit fettigen Fingern oder Schmutz in Kontakt kommen. Ein Austausch der Dichtungen kann von außen vorgenommen werden, ohne hierbei die Pumpe zu verlegen. Somit werden Ausfallursachen durch fehlerhafte Montage der Dichtung auf ein Minimum reduziert. Um den Wirkungsgrad der Pumpen zu erhöhen, wurden wesentliche Veränderungen vorgenommen. Versuche mit Pumpen hatten gezeigt, dass ein Spalt zwischen Kammer und Laufrad von lediglich 0,1 mm bereits einen Wirkungsgradverlust von 5 % zur Folge hat. Durch Einsatz eines schwimmenden Dichtungsringes werden nun interne Leckverluste auf ein Minimum reduziert. Die hochwertigen und verschleißarmen Hochdruckkreiselpumpen sowie die Regelungs- und Steuerungstechnik der Anlage bilden eine Einheit, die sich den jeweiligen Bedarfsanforderungen optimal anpasst und gleichzeitig in erheblichem Umfang Energie einspart. Da zurzeit die „Altpumpen-Anlage“ parallel zur „Neuanlage“ mit gleicher Betriebsstundenzahl betrieben wird, konnte nach ca. acht Monaten Betriebsdauer ein erstes Fazit gezogen werden. Das Ergebnis war selbst für die beteiligten Techniker überraschend: Bei höherer Betriebssicherheit, geringeren Wartungskosten und absolut störungsfreiem Arbeitsablauf verbrauchten die geregelten Pumpen 62 % weniger Energie im Vergleich zur Altanlage. Damit liegt die Amortisationszeit in diesem Fall bei 3,5 Jahren. Der Betrieb der Speisewasser-Pumpen konnte energetisch optimiert werden, da jetzt nur noch der tatsächlich erforderliche Druck zur Nachspeisung der Kessel erzeugt wird. Die Forderungen des Marktes sind klar. Es werden moderne Pumpenlösungen mit flexiblen, modularen Systemen, bestehend aus Motor, Antrieb, Steuerungs- und Sicherungsmodulen sowie Mess- und Datenübertragungs-Einheiten benötigt. Da jeder Anwendungsfall spezifisch ist, müssen auch die Pumpenlösungen spezifische Anlagenund Systemanforderungen erfüllen. Eine Anlage „von der Stange“ reicht dabei in den meisten Fällen nicht aus. Vielmehr müssen alle Komponenten und Bauteile auf den Prüfstand um ein energetisch optimales System zu finden. www.grundfos.de VERFAHRENSTECHNIK 5/2015 29