Übernehmen Sie die Kontrolle über Pumpentransienten: Starts und Auslösungen

Apr 06, 2024

Kreiselpumpen sind für einen optimalen stationären Betrieb ausgelegt; unvermeidliche Abweichungen vom stationären Zustand beim Starten und Stoppen von Pumpen können jedoch zu dramatischen und oft gefährlichen Druckreaktionen innerhalb eines Rohrleitungssystems führen. Pumpentransienten können so routinemäßig sein wie das Anlaufen während der Erstinbetriebnahme oder das Abschalten für Wartungsarbeiten.

Häufig sind Wasserschläge oder Druckstöße mit der Hochdruckreaktion nach einem schnellen Schließen des Ventils verbunden. Vereinfacht ausgedrückt wandelt ein Ventilverschluss den Flüssigkeitsimpuls in Druck um, wenn die Flüssigkeit auf ein sich schließendes Ventil prallt. Der resultierende Druck könnte die Druckwerte von Rohren oder Geräten überschreiten.

Nachlaufende Flüssigkeit prallt dann auf die gestoppte Flüssigkeit und verursacht eine Hochdruckwelle, die sich rückwärts durch das System ausbreitet und unausgeglichene Kräfte verursacht. Diese Ereignisse können auch niedrige Drücke verursachen, was zu Rückströmung, Vakuumbedingungen oder verdampften Flüssigkeiten an hoch gelegenen Punkten im System führt.

Während Ventile die wesentliche Ursache für die Umwandlung von Flüssigkeitsimpulsen in Druck (und umgekehrt) sind, verursachen Pumpen in ähnlicher Weise Druckstöße, da sie den Durchfluss durch den von ihnen erzeugten Druck beeinflussen. Durch das plötzliche Hinzufügen oder Entfernen einer Pumpendruckquelle werden Hoch- und Niederdruckwellen durch ein Rohrleitungssystem übertragen.

Wie Ventilschließungen führen schnelle Änderungen im Pumpenbetrieb zu dramatischeren Druck- und Durchflussreaktionen. Modellierungssoftware kann diese Effekte bei der Übertragung und Interaktion von Wellen quantifizieren und bietet Ingenieuren so die Flexibilität, ein breites Spektrum von Pumpentransientenursachen zu modellieren.

Viele vorübergehende Pumpenereignisse können vorhergesagt werden. Dies kann bei der Erstinbetriebnahme eines Systems, durch die Vorwegnahme und Befolgung routinemäßiger Wartungsarbeiten oder bei der Bewältigung variabler Anforderungen durch zusätzliche Pumpen geschehen. Bei diesen Routineübergängen sollte ein Verfahren zur Minimierung negativer Übergangseffekte durch Glättung des Übergangs zwischen den Betriebsbedingungen angewendet werden.

Es gibt auch reaktive Ereignisse, bei denen die Pumpe auf ein ungeplantes Problem reagiert, beispielsweise einen Geräteausfall oder einen Notfall. Ein Leistungsverlust ist oft das Worst-Case-Szenario, da keine Prozesse verfügbar sind, die den Übergang einer Pumpe zwischen den Zuständen glätten sollen. Die Sorge um einen Stromausfall wird noch größer, wenn die Stromversorgung wiederhergestellt wird und eine Pumpe plötzlich neu gestartet wird.

Bei mehreren Pumpen in einem einzigen System sind zusätzliche Überlegungen zu berücksichtigen, z. B. wenn parallele Pumpen ein Zuschlagen des Rückschlagventils verursachen, wenn eine einzelne Pumpe auslöst. Das gleichzeitige Ausschalten oder Starten aller Pumpen führt ebenfalls zu Überspannungsproblemen, obwohl mehrere Pumpen durch schrittweises Ein- und Ausschalten von Vorteil sein können, um ein System schrittweise zwischen den Betriebsbedingungen umzustellen.

Pumpentransienten können in zwei Kategorien unterschieden werden: kontrollierte und unkontrollierte.

Bei kontrollierten Pumpentransienten wird ein externer Controller, beispielsweise ein Frequenzumrichter (VFD), verwendet, um eine Pumpe durch Steuerung ihrer Drehzahl zwischen den Zuständen zu bewegen. Dadurch kann der Bediener die Flüssigkeit allmählich beschleunigen, um eine weniger dramatische Druckreaktion zu bewirken. Allmähliche Änderungen am System sind auch für Schutzsysteme wie Rückschlagventile einfacher und vermeiden sekundäre transiente Effekte. Kontrollierte Transienten könnten als Pumpengeschwindigkeit im Verhältnis zur Zeit modelliert werden, um einen VFD nachzubilden.

Kontrollierte Transienten erfordern Strom zur Steuerung der Pumpe. Nach einem Stromausfall wird die Drehzahl der Pumpe jedoch vom System vorgegeben. Eine Pumpenauslösung aufgrund eines Stromausfalls weist auf einen unkontrollierten Pumpenübergang hin.

Unkontrolliert bedeutet nicht, dass ein Pumpentransient unvorhersehbar ist, sondern dass das Verhalten einer Pumpe vom System und nicht von einer fein abgestimmten elektronischen Steuerung bestimmt wird. Beispielsweise könnte ein routinemäßiger Pumpenanlauf gegen ein teilweise geschlossenes Ventil oder Rückschlagventil beginnen, um ein Auslaufen zu vermeiden. Anschließend würde das Ventil schrittweise geöffnet, um den beabsichtigten Betriebspunkt zu erreichen. Obwohl der gesamte Prozess routinemäßig ist, wird die Pumpe einfach eingeschaltet und entwickelt je nach Umgebungssystem einen Durchfluss.

Während VFDs einen Ansatz zur Spannungsstoßminderung bieten, können Ingenieure Spannungsspitzen auf ähnliche Weise abschwächen, indem sie die zugrunde liegende Mechanik unkontrollierter Pumpentransienten verstehen. Dieses Verständnis ist bei Stromausfällen von entscheidender Bedeutung, wenn es keine Alternative zur Steuerung der Pumpe gibt.

Unkontrollierte Pumpentransienten hängen von der Rotationsmechanik der Pumpe und ihres Systems ab. Im stationären Zustand werden alle Drehmomente der Komponenten durch den Motor und den Flüssigkeitshaushalt auf die Pumpe ausgeübt. Dieser Punkt ist im Drehmoment-Drehzahl-Diagramm in Bild 2 gekennzeichnet. Während eines Übergangs beschleunigt die Pumpe jedoch aufgrund des unausgeglichenen Drehmoments. Beim Anlaufen der Pumpe bringt der Motor ein höheres Drehmoment auf als das Widerstandsdrehmoment des Systems und beschleunigt so die Pumpe. Im Falle einer Pumpenabschaltung geht das Motordrehmoment auf Null zurück und die Pumpe bremst ab und kehrt möglicherweise die Richtung um, wenn sie nicht angesprochen wird.

Die Beschleunigungsrate hängt von der Trägheit des Pumpenlaufrads und der Flüssigkeit ab und kann daher geändert werden, um sanftere Übergänge zwischen den Zuständen zu schaffen. Dies ist häufig der Grund, warum Pumpen, insbesondere große Pumpen, Schwungräder anbringen, um die Pumpenträgheit zu erhöhen. Die erhöhte Trägheit ist sowohl beim Anfahren als auch beim Herunterfahren von Vorteil, um den Wechsel zwischen den Betriebszuständen zu erleichtern.

Vor diesem Hintergrund ist die Wechselwirkung zwischen Drehmoment, Trägheit und dem umgebenden System von entscheidender Bedeutung für die genaue Modellierung unkontrollierter Pumpentransienten.

Allgemeine Bedenken hinsichtlich eines Anstiegs werden durch einen reibungsloseren Übergang zwischen den Staaten gemildert. Durch kontrollierte Pumpentransienten kann angepasst werden, wie die Pumpengeschwindigkeit allmählich ansteigt/abfällt. Unkontrollierte Pumpentransienten erfordern jedoch Änderungen an der Pumpe selbst oder am umgebenden System, um Druckstöße abzuschwächen.

Bei routinemäßigen unkontrollierten Transienten kann ein Betriebsverfahren zum Austausch der umgebenden Ventile vor dem Starten oder Herunterfahren die Auswirkungen von Wasserschlägen reduzieren. Ebenso kann das schrittweise Ein- und Ausschalten von Pumpen in Systemen mit mehreren Pumpen die Gesamtreaktion des Systems glätten.

In reaktiven Fällen muss das System stattdessen geändert werden, um das Potenzial für Überspannungen passiv zu reduzieren. Diese Modifikationen könnten das Hinzufügen eines Ausgleichsbehälters zur Ergänzung des Durchflusses, die Erhöhung der Pumpenträgheit mit einem Schwungrad, die Verwendung stärkerer Rohre, den Wechsel zu nicht zuschlagenden Rückschlagventilen oder die Dimensionierung von Entlastungssystemen zur Anpassung an den Druckanstieg umfassen.

In allen Fällen wird empfohlen, mithilfe von Software eine vorhergesagte Übergangsreaktion zu modellieren und dabei Routine- und Worst-Case-Szenarien zu berücksichtigen, um sicherzustellen, dass das physische System den Anforderungen entspricht. Aufgrund der Komplexität interagierender Komponenten und interagierender Wellenfronten ist die Stoßspannungsanalyse verständlicherweise schwierig, und vereinfachende Handberechnungen sind nicht immer konservativ.

Software könnte viele Ursachen für Überspannungen bewerten, um bei der Entwicklung von Abhilfestrategien zu helfen, wie z. B. die Rechtfertigung eines VFD oder die Befürwortung zusätzlicher Ausrüstung.

Nick Vastine ist Business Applications Engineer bei Applied Flow Technology (AFT). Vastine hat einen Bachelor of Science in Chemieingenieurwesen mit Nebenfach Wirtschaftswissenschaften von der Colorado School of Mines. Weitere Informationen finden Sie unter www.aft.com.