Wie Werden Wellenleistung Der Pumpe, Druckverluste An Ventilen Und Npsh Bewertet? Ein Praxisorientierter Leitfaden Für Pilotanlagen

In Pilotanlagen mit Kreiselpumpen werden Wellenleistung, Druckverlust an Regelventilen und NPSH anhand gemessener Durchfluss-, Druck- und Temperaturwerte sowie Anlagendaten bewertet. Die Wellenleistung wird aus dem Druckanstieg und dem Volumenstrom der Pumpe unter Berücksichtigung des Wirkungsgrads abgeschätzt. Regelventile werden darauf geprüft, ob an ihnen ein ausreichender Druckverlust für eine stabile Regelung vorhanden ist, während NPSH bewertet wird, indem bestätigt wird, dass die Druckhöhe auf der Saugseite über der Dampfdruckhöhe der Flüssigkeit und dem erforderlichen NPSH der Pumpe bleibt.

Der Betriebspunkt wird durch das Zusammenspiel von Pumpenleistung und Systemwiderstand bestimmt. Eine valide Bewertung in einer Pilotanlage kombiniert daher hydraulische Berechnungen mit Messungen und stellt gleichzeitig eine ausreichende Ventilautorität sowie eine NPSH-Marge zur Vermeidung von Kavitation sicher.

Bestimmung des Betriebspunkts der Pumpe

Messung der wichtigsten Betriebsvariablen

Eine typische verfahrenstechnische Pilotanlage umfasst einen Durchflussmesser, Druckmessgeräte oder Druckmessumformer auf der Saug- und Druckseite, einen Temperatursensor sowie einen elektrischen Leistungsmesser. Diese Instrumente liefern die Daten, die benötigt werden, um die theoretische Pumpenleistung mit dem tatsächlichen Betrieb zu vergleichen.

Die wichtigsten Messgrößen sind der Volumenstrom, der Saugdruck, der Druck auf der Druckseite, die Flüssigkeitstemperatur sowie die elektrische Leistung oder Motorleistung.

Berechnung des Druckanstiegs der Pumpe

Der Druckanstieg der Pumpe wird aus der Differenz zwischen Druck- und Saugdruck bestimmt:

[ \Delta P_{\text{pump}}=P_{\text{discharge}}-P_{\text{suction}} ]

Die Druckmesswerte müssen einheitlich interpretiert werden. Unterschiede in der Höhenlage, im Druckbezug und in der Position der Druckabnahmestellen können bei der Berechnung des gesamten Energieeintrags der Pumpe eine Korrektur erforderlich machen.

Bei einem verzweigten Netzwerk wird die Bernoulli-Gleichung vom Saugbehälter zu jeder Entnahmestelle angewendet. Die Berechnung umfasst statische Höhenänderungen, Behälterdrücke, Rohrreibungsverluste sowie Einzelverluste an Armaturen und Ventilen.

Bestimmung des tatsächlichen Betriebspunkts

Die Pumpenkennlinie beschreibt den Zusammenhang zwischen Druckanstieg beziehungsweise Förderhöhe und Volumenstrom. Die Anlagenkennlinie stellt den von der Rohrleitung benötigten Druck dar und kann häufig in folgender Form ausgedrückt werden:

[ \Delta P_{\text{system}}=a+b\dot{V}^{2} ]

Der Schnittpunkt dieser Kennlinien ist der tatsächliche Betriebspunkt. Eine Änderung eines Strangventils verändert den Systemwiderstand, wodurch sich der Betriebsvolumenstrom und der Druckanstieg der Pumpe verschieben.

Bewertung der Wellenleistung der Pumpe

Verwendung von Volumenstrom und Druckanstieg

Für einen Volumenstrom (V) in (\mathrm{m^3/min}), einen Druckanstieg (\Delta P) in bar und einen relativen Pumpenwirkungsgrad (\varepsilon) wird die Wellenleistung der Pumpe wie folgt abgeschätzt:

[ P_{\text{shaft}}= \frac{1.67V\Delta P}{\varepsilon} ]

wobei (P_{\text{shaft}}) in kW angegeben wird.

Der Faktor 1,67 wandelt das Produkt aus bar und Kubikmetern pro Minute in Kilowatt um. Der Wirkungsgrad muss als Bruch angegeben werden, beispielsweise 0,70 statt 70.

Unterscheidung zwischen hydraulischer Leistung und Wellenleistung

Die an die Flüssigkeit abgegebene hydraulische Leistung beträgt:

[ P_{\text{hydraulic}}=1.67V\Delta P ]

Die Wellenleistung ist höher, da die Pumpe nicht vollständig wirkungsgradoptimal arbeitet:

[ P_{\text{shaft}}=\frac{P_{\text{hydraulic}}}{\varepsilon} ]

Eine Messung der elektrischen Leistung kann noch höher ausfallen, da sie Verluste des Motors und des Antriebs enthalten kann. Die gemessene elektrische Eingangsleistung sollte daher nicht direkt mit der hydraulischen Leistung verglichen werden, sofern Motor- und Antriebswirkungsgrade nicht berücksichtigt werden.

Berücksichtigung verzweigter Strömungen

In einem verzweigten Pilotanlagennetzwerk ist der gesamte Massenstrom die Summe der aktiven Strangströme:

[ \dot{m}_{\text{total}}=\sum_i \dot{m}_i ]

Die Pumpe muss die für das gesamte Netzwerk erforderliche Energie bereitstellen, einschließlich des regelnden Strangs und aller gemeinsam genutzten Rohrleitungen. Die Verteilung der Ströme auf die einzelnen Stränge wird durch den relativen Widerstand jedes Strangs und die Positionen der Regelventile bestimmt.

Vergleich von Vorhersage und Messung

Studierende oder Bediener können die Wellenleistung aus dem gemessenen Volumenstrom und Druckanstieg berechnen und anschließend mit dem Messwert des Leistungsmessers vergleichen. Unterschiede können durch Motorverluste, Pumpenverschleiß, ungenaue Druckmessungen, Rezirkulation, Lufteintrag oder einen Betrieb außerhalb des Bereichs des besten Wirkungsgrads der Pumpe verursacht werden.

Die Darstellung von Förderhöhe-Volumenstrom-, Wirkungsgrad-Volumenstrom- und Leistung-Volumenstrom-Daten macht diese Effekte über den Betriebsbereich der Pumpe sichtbar.

Bewertung der Druckverluste an Regelventilen

Bestimmung des Druckverlusts am Ventil

Der Druckverlust über ein Regelventil beträgt:

[ \Delta P_{\text{valve}}= P_{\text{upstream}}-P_{\text{downstream}} ]

Die Druckabnahmestellen sollten ausreichend weit stromaufwärts und stromabwärts des Ventils angeordnet sein, damit nicht lokale Störungen anstelle des repräsentativen Druckverlusts des Ventils gemessen werden.

Der gemessene Wert sollte mit dem aus der Ventilkennlinie und dem tatsächlichen Volumenstrom vorhergesagten Druckverlust verglichen werden.

Zuweisung eines Mindestdruckverlusts

Einem Regelventil auf einem Pumpen-Skid sollte im Referenz-Entwurfsgrundlage der Pilotanlage im Allgemeinen ein Mindestdruckverlust von 0,69 bar, entsprechend 10 psi, zugewiesen werden.

Dies ist eine Auslegungszuweisung zur Aufrechterhaltung einer nutzbaren Regelautorität. Es handelt sich nicht um eine universelle Anforderung für jedes Ventil oder jeden Prozess; der geeignete Wert hängt vom Ventiltyp, dem Durchflussbereich, dem Rohrleitungssystem und den Regelzielen ab.

Verständnis der Ventilautorität

Ein Ventil benötigt einen wesentlichen Anteil des gesamten Systemdruckverlusts, um den Durchfluss wirksam zu regeln. Wenn nahezu der gesamte Druckverlust in festen Rohrleitungswiderständen auftritt, können kleine Änderungen der Ventilstellung nur geringe Auswirkungen auf den Durchfluss haben.

Wenn das Ventil jedoch zu viel Druck verbraucht, muss die Pumpe eine unnötig hohe Förderhöhe erzeugen. Dies erhöht die Drosselverluste und kann die Energieeffizienz verringern.

Beobachtung der Auswirkungen einer Ventilverstellung

Das Schließen eines Strangventils erhöht den Strangwiderstand und verringert normalerweise dessen Durchfluss. Die daraus resultierenden Änderungen des Strangdrucks, des gesamten Pumpenvolumenstroms, des Drucks auf der Druckseite der Pumpe und der Wellenleistung können in einer Pilotanlage direkt gemessen werden.

Eine Erhöhung des Widerstands auf der Saugseite erfordert besondere Vorsicht, da sie den am Pumpeneintritt verfügbaren Druck und damit den verfügbaren NPSH verringern kann.

Bewertung von NPSH und Kavitationsrisiko

Berechnung des verfügbaren NPSH

Der verfügbare NPSH wird anhand des Absolutdrucks am Saugstutzen der Pumpe berechnet:

[ NPSH_A= \frac{P_{\text{suction,abs}}-P_v}{\rho g} ]

wobei gilt:

(P_{\text{suction,abs}}) ist der absolute Saugdruck,
(P_v) ist der Dampfdruck der Flüssigkeit bei Betriebstemperatur,
(\rho) ist die Flüssigkeitsdichte,
(g) ist die Erdbeschleunigung.

Der Überdruck kann in dieser Gleichung nicht direkt verwendet werden, sofern nicht der Atmosphärendruck addiert und das Ergebnis auf eine absolute Druckbasis umgerechnet wird.

Berücksichtigung der Auswirkungen des Saugsystems

Der Saugdruck wird durch den Druck im Vorlagebehälter, den Flüssigkeitsstand über der Pumpe, den Höhenunterschied, die Reibung in der Saugleitung und lokale Verluste beeinflusst. Eine praktische Energiebilanz berücksichtigt:

Die statische Flüssigkeitshöhe über dem Pumpeneintritt.
Den Druck im Vorlagebehälter.
Den Reibungsverlust in der Saugleitung.
Verluste an Saugventilen, Bögen, Sieben und Armaturen.
Die Flüssigkeitstemperatur und deren Einfluss auf den Dampfdruck.

Ein höherer Flüssigkeitsstand erhöht die verfügbare Saughöhe. Ein höherer Widerstand in der Saugleitung oder eine höhere Flüssigkeitstemperatur verringert im Allgemeinen die NPSH-Marge.

Vergleich von verfügbarem und erforderlichem NPSH

Der Betriebszustand ist nur dann akzeptabel, wenn:

[ NPSH_A>NPSH_R ]

Der erforderliche NPSH der Pumpe (NPSH_R) wird normalerweise den Herstellerdaten entnommen und variiert mit dem Volumenstrom. Standard-Prozesspumpen können erforderliche Werte von etwa 1,2 bis 6,1 m Flüssigkeitssäule aufweisen, wobei der tatsächliche Wert für eine bestimmte Pumpe und einen bestimmten Betriebszustand den Leistungsdaten der Pumpe entnommen werden muss.

Die Differenz zwischen verfügbarem und erforderlichem NPSH ist die Betriebsmarge:

[ \text{NPSH margin}=NPSH_A-NPSH_R ]

Eine positive Differenz ist erforderlich; die Auslegung sollte jedoch zusätzlich eine praktische Marge für Unsicherheiten bei Temperatur, Volumenstrom, Druckmessung und hydraulischen Verlusten vorsehen.

Erkennen von Kavitation

Wenn der verfügbare NPSH unter den erforderlichen NPSH der Pumpe fällt, kann der lokale Druck in der Nähe des Laufrads unter den Dampfdruck der Flüssigkeit sinken. Anschließend bilden sich Dampfblasen, die kollabieren, sobald sich die Flüssigkeit durch Bereiche mit höherem Druck bewegt.

Typische Symptome sind Geräusche, Vibrationen, Laufraderosion, verringerter Durchfluss und ein Verlust des Drucks auf der Druckseite. In einer Pilotanlage sollten diese Symptome als hydraulisches Betriebsproblem und nicht lediglich als Abweichung von der Pumpenleistung behandelt werden.

Experimentelle Demonstration des NPSH-Verhaltens

Eine Pilotanlage kann das NPSH-Verhalten demonstrieren, indem der Flüssigkeitsstand, die Stellung des Saugventils, der Volumenstrom oder die Flüssigkeitstemperatur verändert wird. Dabei werden Saugdruck und Temperatur gemessen und gleichzeitig das Verhalten der Pumpe beobachtet.

Eine Erhöhung des Saugwiderstands senkt den Saugdruck und damit (NPSH_A). Die Messung der daraus resultierenden Leistungseinbuße ermöglicht einen direkten Vergleich zwischen der berechneten NPSH-Marge und dem beobachteten Kavitationsverhalten.

Verständnis der Zielkonflikte

Drosselung verbessert die Regelung, verschwendet jedoch Förderhöhe

Ein Regelventil kann den Durchfluss stabilisieren, indem es überschüssige Förderhöhe der Pumpe in Druckverlust umwandelt. Dies verbessert die Regelbarkeit, wenn das Ventil über eine ausreichende Autorität verfügt; der verlorene Druck stellt jedoch Energie dar, die den Prozess nicht erreicht.

Ein Betrieb mit übermäßiger Drosselung kann die Pumpe außerdem aus ihrem bevorzugten Wirkungsgradbereich bewegen.

Ein höherer Durchfluss kann die NPSH-Marge verringern

Eine Erhöhung des Volumenstroms steigert im Allgemeinen die Reibungsverluste in der Saugleitung. Gleichzeitig steigt (NPSH_R) der Pumpe üblicherweise mit zunehmendem Volumenstrom.

Diese Kombination kann die NPSH-Marge schnell verringern, insbesondere bei unterdimensionierten Saugleitungen, einschränkenden Sieben, niedrigen Füllständen im Vorlagebehälter oder heißen Flüssigkeiten.

Druckmesswerte können falsch interpretiert werden

Ein Druckmessgerätewert ist nicht automatisch für eine NPSH-Berechnung geeignet. Die Berechnung erfordert den Absolutdruck am Saugstutzen der Pumpe; außerdem müssen Druckbezug, Höhenlage und Messstelle bekannt sein.

Ebenso sollte der Druckanstieg der Pumpe auf vergleichbaren Saug- und Druckbedingungen basieren und nicht auf unkorrigierten Messwerten von Stellen mit erheblichen Höhenunterschieden.

Theoretische und experimentelle Werte werden voneinander abweichen

Berechnete Werte hängen von angenommenen Reibungsbeiwerten, Formstückverlusten, dem Pumpenwirkungsgrad und den Ventilkennlinien ab. Experimentelle Werte spiegeln außerdem Messunsicherheiten, Leckagen, Luft in der Flüssigkeit, den Zustand der Pumpe und den Motorwirkungsgrad wider.

Der Zweck der Pilotanlage besteht darin, diese Unterschiede zu quantifizieren und die hydraulische Theorie mit dem tatsächlichen Anlagenverhalten zu verknüpfen.

Die richtige Entscheidung für Ihr Ziel

Verwenden Sie Messungen und Berechnungen gemeinsam, um sowohl die Leistung als auch die Betriebssicherheit zu bewerten.

Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf der Bewertung der Wellenleistung liegt: Messen Sie den Volumenstrom und den Druckanstieg der Pumpe, berechnen Sie die hydraulische Leistung, teilen Sie diese durch den Pumpenwirkungsgrad und vergleichen Sie das Ergebnis mit korrigierten Motor- oder elektrischen Leistungsdaten.
Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf der Durchflussregelung liegt: Messen Sie den Druckverlust über jedes Regelventil und halten Sie eine angemessene Druckverlustzuweisung ein, einschließlich des genannten Mindestwerts von 0,69 bar, sofern dieser anwendbar ist.
Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf der Vermeidung von Kavitation liegt: Berechnen Sie (NPSH_A) aus dem absoluten Saugdruck und dem Dampfdruck und stellen Sie anschließend sicher, dass dieser den vom Volumenstrom abhängigen (NPSH_R) der Pumpe mit einer ausreichenden Marge überschreitet.
Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf der Systemdiagnose liegt: Stellen Sie Pumpen- und Anlagenkennlinien grafisch dar, variieren Sie die Positionen der Strangventile und nutzen Sie die daraus resultierenden Änderungen von Volumenstrom, Druck und Leistung, um den tatsächlichen Betriebspunkt zu bestimmen.

Ein zuverlässiger Betrieb der Pilotanlage entsteht dadurch, dass Pumpenleistung, Ventildruckverlust und NPSH als miteinander verbundene Bestandteile desselben hydraulischen Systems betrachtet werden.

Zusammenfassungstabelle:

Bewertung	Wichtige Berechnung oder Vergleich	Wichtigste Messungen	Was dies anzeigt
Betriebspunkt der Pumpe	Schnittpunkt der Pumpenkennlinie und der Anlagenkennlinie	Volumenstrom, Saugdruck, Druck auf der Druckseite	Tatsächlicher Pumpenvolumenstrom und Druckanstieg
Hydraulische Leistung	`P_hydraulic = 1.67VΔP`	Volumenstrom und Druckanstieg der Pumpe	Auf die Flüssigkeit übertragene Energie
Wellenleistung	`P_shaft = 1.67VΔP / ε`	Volumenstrom, Druckanstieg, Pumpenwirkungsgrad	Von der Pumpe benötigte mechanische Leistung
Druckverlust am Ventil	`ΔP_valve = P_upstream - P_downstream`	Drücke stromaufwärts und stromabwärts des Ventils	Ventilautorität und Drosselverluste
Verfügbarer NPSH	`NPSH_A = (P_suction,abs - P_v) / ρg`	Absoluter Saugdruck, Temperatur, Flüssigkeitseigenschaften	Kavitationsschutz auf der Saugseite
NPSH-Marge	`NPSH_A - NPSH_R`	Berechneter verfügbarer NPSH und Herstellerdaten	Ob die Pumpe über eine ausreichende Betriebsreserve verfügt
Kavitationsrisiko	Vergleich von `NPSH_A` mit `NPSH_R` und Beobachtung des Pumpenverhaltens	Geräusche, Vibrationen, Volumenstrom, Druck auf der Druckseite	Mögliche Dampfblasenbildung und Pumpenschäden

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