Weniger Stromverbrauch mit APP-Pumpen

Montag, 18. Dezember 2017

Seit Jahrzehnten gilt die Kreiselpumpe (CF) als die beste Wahl für Hochdruckpumpen in großen SWRO-Zügen.

In den letzten Jahren hat der zunehmende Fokus auf Energieeinsparungen und die Reduzierung der CO2-Emissionen jedoch dazu geführt, dass isobare Energierückgewinnungsgeräte (ERD) entwickelt wurden, mit denen in der Regel Energieeinsparungen von bis zu 60 % möglich sind. Und jetzt kommen speziell für SWRO-Anwendungen entwickelte Verdrängerpumpen (PD) mit großem Durchfluss und hoher Effizienz auf den Markt, die das Potenzial haben, den Stromverbrauch um bis zu weitere 20 % oder sogar mehr zu senken.

Trotz der offensichtlichen Vorteile durch die Nutzung dieser hocheffizienten PD-Pumpen tun sich einige Anlagenbauer immer noch aus den verschiedensten Gründen schwer, sie einzusetzen. In einigen Fällen, weil die Ansicht vorherrscht, dass die Bemessung der PD-Pumpe sich von der der CF-Pumpe unterscheidet, oder weil die Durchflussregelung unterschiedlich ist und eine etwas andere Bauweise der Hydraulikkomponenten um die Pumpen herum erfordert.

Auf der Grundlage eines Versuchsaufbaus, bei dem der SWRO-Zug saisonalen Druckänderungen ausgesetzt ist, wird in diesem Beitrag der Unterschied bei der Bemessung von CF-Pumpen und PD-Pumpen erläutert. Es wird darüber hinaus gezeigt, wie unterschiedliche Konfigurationen in der Durchflussregelung erhebliche Auswirkungen auf die Energieeinsparung beim Einsatz von CF-Pumpen und PD-Pumpen in großen SWRO-Anlagen haben.

Druckänderungen im Membranzulauf

In einer SWRO-Anlage kommt der erforderliche Hauptdruck von den RO-Membranen.

Mit dem Membran-Design-Tool kann mittels Gesamtsalzgehalt, Wassertemperatur, Anzahl der Membranen, Rückgewinnungsrate und Membran-Fouling der gewünschte Membranspeisedruck ermittelt werden.

Zu diesem Druck müssen dann die hydraulischen Verluste in der Rohrleitung hinzugerechnet werden.

Der Druck einer PD- oder CF-Pumpe reagiert auf den Widerstand im Hydrauliksystem.

Kreiselpumpen

Sicherheitsmargen führen zu übergroßen CF-Pumpen

Bei einer CF-Pumpe wird der Durchfluss durch einen steigenden Systemdruck beeinträchtigt. Siehe Abb. 2.

Um sicherzustellen, dass deshalb eine ausreichend große Pumpe ausgewählt wird, werden häufig Komfortmargen hinzugerechnet. Dies führt wiederum dazu, dass in der Regel zu große Pumpen installiert werden.

Für die Komfortmarge einer SWRO-Anlage sollte Folgendes berücksichtigt werden:
•Berechnete Anlagenkennlinie
•Gesamtsalzgehalt, Temperatur usw. vom Speisewasser, die den Speisedruck auf die Membranen beeinflussen
•Membran-Fouling
•Pumpenverschleiß mit der Zeit

Eine einzelne Pumpe, die installiert wird, um eine Reihe von Aufgaben zu erledigen, wird für den größten Leistungsbedarf ausgelegt. Sie wird daher in der Regel zu groß sein und bei allen anderen Aufgaben ineffizient arbeiten.

Für SWRO-Anwendungen werden CF-HD-Förderpumpen in der Regel mit einer Sicherheitsmarge von 10–15 %, manchmal sogar höher, ausgelegt.

Durchflussregelung durch Drosselung verursacht Energieverschwendung

Auf dem Markt gelten Frequenzumrichter nach wie vor als teuer oder kompliziert in der Bedienung. Daher erfolgt die Durchflussregelung bei CF-Pumpen meist durch eine Drosselung, und zwar selbst für Pumpen mit großen Durchflussmengen.

Beispiel: Eine 5000-CMD-SWRO-Anlage mit isobarem Energierückgewinnungssystem, die bei 66 bar in einem 50-Hz-Netz arbeitet und mit einer jährlichen Druckänderung von 6 bar beaufschlagt wird, wie in Abb. 1 dargestellt. Die Pumpe läuft mit fester Drehzahl und ist mit einer Sicherheitsmarge von 10 % auf den Durchfluss bei maximalem Druck ausgelegt.

Durch die Drosselung des Durchflusses in dieser Systemkonfiguration kommt es zu folgenden Ergebnissen (siehe Abb. 2):
•Druckverlust von ca. 3 bar entsprechend 23 kWh pro Stunde bei maximalem Druck im Winter
•Druckverlust von ca. 9 bar entsprechend 69 kWh pro Stunde bei minimalem Druck im Sommer
•Nahezu konstante Effizienz (innerhalb von 0,5 %) mit der gewählten Pumpe

In Abb. 3 werden die Ergebnisse noch deutlicher, was zeigt, wie beim Drosseln über das Jahr hinweg Energie verschwendet wird. Insgesamt beträgt die gesamte jährliche Energieverschwendung durch die Drosselklappe allein 373.000 kWh, was etwa 8,5 % des gesamten Energieverbrauchs der Pumpe entspricht. Die gesamte jährliche Leistungsaufnahme der Pumpe liegt bei etwa 4764 MW.

Durchflussregelung mit Frequenzumrichter an der HD-Förderpumpe

Ein SWRO-System zeichnet sich durch einen hohen „statischen“ Druck aus, der durch den Membranprozess selbst verursacht wird. Das bedeutet, dass die Druckkurve des Systems nicht vom Ursprung ausgeht, sondern bei einem Wert ungleich null auf der y-Achse entsprechend dem Osmosedruck. Deshalb verläuft diese Systemkurve anders als die Kurven mit konstanter Effizienz.

Bei der Auswahl einer CF-Pumpe mit Frequenzumrichter für ein konstant durchflussgeregeltes System ist eine Pumpe ratsam, die links vom BEP bei maximalem Druck arbeitet. Durch diesen Ansatz wird die Effizienz der Pumpe optimiert. [HI]

Betrachtet man dieselbe 5000-CMD-SWRO-Anlage aus Abb. 1, so stellt man fest, dass bei der Wahl einer mit einer Sicherheitsmarge von 10 % des Durchflusses (3 bar bei Druck), die Pumpeneffizienz etwa 77,5 % beträgt und sowohl bei 60 als auch bei 66 bar fast konstant und einem konstanten Durchfluss von 215 m³/h nahezu konstant bleibt.

Ein großer Frequenzumrichter hat einen Wirkungsgrad von etwa 98 % und der Energieverlust von 2 % muss bei der Berechnung der Energieeffizienz berücksichtigt werden. Dennoch beträgt der jährliche Leistungsverlust durch den Frequenzumrichter nur 90.000 kWh, was nur 24 % des Energieverlusts durch die Drosselklappe entspricht.

In Abb. 4 wird der Energieverbrauch über das Jahr einschließlich Verluste durch den Frequenzumrichter gezeigt. Die gesamte jährliche Leistungsaufnahme liegt bei etwa 4480 MW.

Durchflussregelung mit Frequenzumrichter an zusätzlicher ND-Förderpumpe

Eine Alternative zum Einsatz des großen Frequenzumrichters direkt am Motor der HD-CF-Pumpe ist der Einsatz einer zusätzlichen ND-Förderpumpe mit Frequenzumrichterregelung, wie in der folgenden Abbildung dargestellt:

Diese ND-Förderpumpe fördert einen variablen Druck zwischen 0,7–6 bar in den Eintritt einer HD-CF-Förderpumpe mit konstanter Drehzahl und gleicht so die Druckschwankungen während des Jahres aus.

Der Nachteil dieser Lösung ist, dass der große Druckbereich eine Sicherheitsmarge von 10 % nicht zulässt. Gleichzeitig kann für den direkten Online-Start der HD-Kreiselpumpe noch ein Kegelventil oder eine Drosselklappe erforderlich sein.

Einige isobare Energierückgewinnungsgeräte reagieren empfindlich auf einen übermäßigen ND-Einlassstrom und Druckschwankungen verursachen typischerweise Durchflussschwankungen. Um dieses Problem zu lösen, wird zusätzlich zum Energierückgewinnungsgerät ein hochwertiges Durchflussregelventil oder eine einzelne LP-Förderpumpe mit konstantem Durchfluss benötigt.

In Abb. 5 wird dieselbe 5000-CMD-SWRO-Anlage nun mit dem Stromverbrauch über das Jahr einschließlich Verluste durch den Frequenzumrichter gezeigt. Die gesamte jährliche Leistungsaufnahme liegt bei etwa 4372 MW. Der Leistungsverlust durch den Frequenzumrichter ist sehr gering und kann ignoriert werden.

Der Frequenzumrichter braucht auf nur 10 % des großen Frequenzumrichters für die HD-Förderpumpe ausgelegt sein. Dadurch senkt sich zwar der Kapitaleinsatz für den Frequenzumrichter einerseits, andererseits kommt ein weiterer Kapitaleinsatz für die zusätzliche ND-Förderpumpe hinzu.

Wie funktioniert eine Verdrängerpumpe (PD)?

Durchflussregelung:

Eine Verdrängerpumpe (PD) liefert unabhängig vom Druck einen nahezu konstanten Durchfluss. Siehe Abb. 6. Wenn der Systemdruck ansteigt, liefert die PD-Pumpe automatisch einen konstanten Durchfluss zu dem gewünschten Druck, ohne dass sie überhaupt reguliert wird. Nur die Leistungsaufnahme des Elektromotors steigt automatisch an. Ebenso bleibt der Durchfluss konstant, wenn der Systemdruck sinkt. Dann sinkt wiederum auch nur die Leistungsaufnahme des Elektromotors.

Der Durchfluss einer PD-Pumpe kann ausschließlich durch das Einstellen der Drehzahl der Pumpenwelle geregelt werden, siehe Abb. 6.

Die Sicherheitsmarge auf den Durchfluss ist auf den maximalen Durchfluss der einzelnen Pumpe begrenzt.

Druckregelung

Wie bei der CF-Pumpe reagiert der Druck der PD-Pumpe auf den hydraulischen Widerstand im System. Mit dem Membran-Design-Tool kann mittels Gesamtsalzgehalt, Wassertemperatur, Anzahl der Membranen, Rückgewinnungsrate und Membran-Fouling der gewünschte Membranspeisedruck ermittelt werden.

Zu diesem Druck müssen dann die hydraulischen Verluste in der Rohrleitung hinzugerechnet werden.

Die PD-Pumpe kann einen Druck aufbauen, der die mechanische Belastbarkeit der Membranbehälter, Rohre und anderen Komponenten übersteigt. Da die Sicherheitsmarge beim Druck durch das Drehmoment des Elektromotors begrenzt ist, ist möglicherweise ein Sicherheitsventil (PRV) notwendig.

Es muss stets beachtet werden, dass bei einer PD-Pumpe Durchfluss oder Druck niemals durch ein Regelventil gesteuert werden dürfen.