Helfen Sie mit die gewünschte Systemfunktion Effizienz zu gestalten

Ich erlebe im Zuge meiner Beratungstätigkeit von Anlagenbetreibern, dass trotz auf dem Papier und nachweislich auf dem Prüfstand energetisch vorbildlicher Produkte, durch Planungen, die den optimalen Platzbedarf einer Anlage im Vordergrund haben, durch Auslegungen, die durch Angstzuschläge nicht Bedarfsgerecht sind, durch Einbindung in die Gesamtanlage, die mit strömungsgerechter Ausführung aber auch nichts gemein haben, durch Regelungen die von Investkosten statt Lebenszykluskosten geprägt sind und letztlich Betriebsweisen, bei denen weit mehr Verluste entstehen als bei dem Gesamtsystem Ventilator gemäß EU 327/2011.
Diese Diskussion in einem Kunden- Lieferantenverhältnis zu führen fällt schwer.
Deshalb wollte ich bereits im letzten HDT Ventilatoren-Seminar alle Beteiligten, vom Planer über den Anlagenbauer, den Komponenten Lieferanten bis hin zum Betreiber in das Seminar und zur Diskussion einladen. Anlagenplaner und -bauer fühlten sich hier aber leider nicht angesprochen, und so beschäftige ich mich heute immer noch damit diese bestehenden Mängel aufzuzeigen und in Zusammenarbeit mit meinen Kunden zu beseitigen.

Es geht um die Systemsynthese, die zielführende Konstruktion eines Systems mit bekannten Eingangsgrößen, woraus die gewünschte Ausgangsgröße resultiert.
Es geht also darum, für die gewünschte Systemfunktion „Effizienz“ eine funktionserfüllende Struktur zu finden.

Sollten drehzahlgeregelte Radialventilatoren Axialventilatoren mit im Lauf verstellbaren Schaufeln ablösen?

Bedingt durch die Tatsache, dass es bis etwa 2008 im Mittelspannungsbereich keine Frequenzumrichter auf dem Markt gab, die den Anforderungen der ZLU (Zusatz-Lieferbedingungen-Umrichter) der Kraftwerksbranche genügten, haben sich in der Vergangenheit immer mehr bei den Groß-Ventilatoren die Axialventilatoren mit im Lauf verstellbaren Schaufeln durchgesetzt.
Hiebei wurde aus energetischer Sicht gerne der Vergleich von Radialventilatoren mit Drallregelung gegenüber Axialventilatoren mit Laufschaufelverstellung angestellt, der dann besonders im Teillastbereich zu Gunsten der Axialventilatoren ausfiel.

Seit es aber auch im Mittel- bzw. Hochspannungsbereich Frequenzumrichter gibt die den Anforderungen der ZLU genügen, sollte der Vergleich eigentlich zwischen Radialventilatoren mit Drehzahlregelung gegenüber Axialventilatoren mit Laufschaufelverstellung angestellt werden.

In dem aufgezeigten Bild sind normiert einmal beide Kennlinien übereinander gelegt. Hierbei zeigt sich, dass bei den Kurven der Leistungsaufnahme im Teillastbereich der drehzahlgeregelte Radialventilator im Vorteil ist.

Wenn man dann noch bedenkt, dass der Axialventilator keinen hohen Regelbereich (Pumpgrenze) verträgt, was in Zeiten der Energiewende für unsere Kohlekraftwerke wichtig wäre, um einen störungsfreien Grundlastbetrieb absolvieren zu können, sollte eigentlich die Ablösung der Axialventilatoren im Kraftwerksbereich eine Überlegung wert sein. Ganz abgesehen davon, dass z.B. zwei doppelfutige drehzahlgeregelte Radialventilatoren weitere Vorteile bieten. Wie z.B. die Einbindung in eine strömungsgerechte vernünftige Anordnung hinter den meist vier Filterabgängen. Die Redundanz im Teillastbereich, bedenkenlose Regelbereiche von 1:10 und letztlich sogar die Anschaffungs- sowie die Wartungskosten.

Kombinierte Regelungsverfahren

Bevor jedoch bei all den positiven Aspekten für die Drehzahlregelung der Eindruck entsteht, dies sei die einzig empfehlenswerte Regelungskonzeption, soll nicht verschwiegen werden, dass es die berühmte Ausnahme gibt.

Bei all den bisher genannten Vorteilen der Drehzahlregelung wurde eine quadratische Anlagenkennlinie des Prozesses, in dem die Ventilatoren eingesetzt werden, vorausgesetzt.

Es gibt jedoch auch Anwendungsfälle, wie z.B. bei Anlagen mit Wirbelschichtfeuerungen, bei denen das Wirbelbett für die Verbrennungsluft einen konstanten Anteil auf hohem Widerstandsniveau über den Regelbereich aufweist und nur ein kleiner Anteil mit quadratischem Verhalten hinzukommt. Bei sehr kleinen Volumenströmen wird hier sogar aufgrund der zur Fluidisierung in der Wirbelbettkammer benötigten höheren Widerstände die Anlagenkennlinie noch ansteigen.

D.h. in der Summe kommt es zu einer sehr komplexen Anlagenkennlinie B, die von 0 in Richtung Auslegungspunkt BP_100% bei hohem
Widerstand beginnend erst abfällt, um anschließend wieder
anzusteigen.

Eine derartige Anlagenkennlinie kann, wie im Bild gezeigt, durch Drehzahlregelung nicht bzw. nur schlecht abgedeckt werden, da eine
Drehzahlabsenkung zur Abdeckung solcher Teillastpunkte im Regelbereich nur minimal, in dem dargestellten Beispiel nur zwischen 80 und 100% der Drehzahl möglich ist.

Bei derartigen Einsatzfällen würde man sicherlich im Normalfall eine Drallregelung empfehlen.

Andererseits sind gerade bei der Wirbelschichtfeuerung sehr hohe Drücke von 2000 daPa bis zu 3500 daPa und mehr erforderlich, was sich bei Betrieb mit Volumenstrommengen unter 30% mit einem Drallregler bei Drücken oberhalb 2500 daPa problematisch gestaltet. In diesem Bereich kommt es zu instationären Ablöseerscheinungen, durch Fehlströmungen an den strömungsführenden Teilen. Die Ablösungen verursachen in den Schaufelkanälen Wirbel, was dazu führen  kann, dass der Schaufelkanal durch Rückströmungen “verstopft,” d.h.  nicht befüllt wird. Durch die Rotation des Laufrades und die Interaktion der einzelnen  Schaufelkanäle wandert die Ablösung durch die Kanäle des Laufrades. Es tritt der sogenannte “rotating stall” auf.

Das Laufrad wird  dabei  starken wechselnden  Kräfte  ausgesetzt . Bei 3500 daPa, also 3,5 to pro m2 kann dies zu enormen Schäden am Laufzeug und der Lagerung führen, bis hin zur totalen Zerstörung der Gebläse.

In solchen Fällen, aber auch um das immer noch vorhandene Potential der Energieeinsparung im oberen Volumenstrombereich auszuschöpfen, besteht durchaus die Möglichkeit, die Drall- und die Drehzahlregelung zu kombinieren (siehe Bild).

Mit der Kombination der Drehzahl- und Drallregelung lässt sich einerseits im Bereich oberhalb 70% des Volumenstroms durchaus noch energiesparend mit Drehzahlregelung arbeiten. Vor allem aber wird im Teillastbereich bereits die Druckerhöhung auf unter 80% durch die Drehzahlregelung und damit in einen etwas verträglicheren Bereich abgesenkt, um so mit der Drallregelung auch Teillast-Volumenströme unter 30% ohne Schäden realisieren zu können.

Trudelantrieb ohne Freilaufkupplung

Bei Saugzug-Ventilatoren ist häufig ein Trudelantrieb erforderlich, um bei Ausfall des Hauptantriebs noch eine ausreichende Menge der Rauchgase mittels eines Hilfsantriebs, dem sogenannten Trudelantrieb, aus dem System zu fördern.

Üblicherweise wird hierzu bisher ein Getriebemotor mit angebauter Freilaufkupplung eingesetzt (siehe obere Bildhälfte). Das Problem hierbei ist es, einen Getriebemotor mit der passenden Abtriebsdrehzahl zu finden, um die von der Verfahrenstechnik gewünschte Fördermenge im Trudelbetrieb zu gewährleisten.

Galanter geht dies mit einem einfachen Drehstrom-Asynchronmotor (mit entsprechend höherer Polpaarzahl) der mittels eines Frequenzumrichter an dem Notstromnetz bei Ausfall des Hauptantriebs zugeschaltet werden kann (siehe untere Bildhälfte).

Vorraussetzung ist einerseits, daß der Motor für die höhere Drehzahl des Saugzug-Ventilators im Leerlauf  zulässig ist, da dieser direkt über eine elastische Kupplung angekoppelt ist, und andererseits ein Frequenzumrichter mit Drehmoment orientierter Regelung eingesetzt wird. Dieser Trudelantrieb synchronisiert sich durch Momentenabgleich beim Zuschalten dann automatisch mit dem auslaufenden Saugzug-Ventilator auf die gewünschte, einstellbare Trudeldrehzahl.

Derartige Trudelantriebe habe ich in meiner aktiven Zeit getestet und in der Praxis erfolgreich eingesetzt.

Das Energie-Einsparpotenzial der Prozeß-Ventilatoren

Von der Initialberatung bis zur Potenzialanalyse.

Anlagenbetreiber die wissen wollen, welches Energie-Einsparpotenzial sich bei den Prozeß-Ventilatoren ihrer Anlagen verbirgt, können sich externe Hilfe eines Experten zu einer ersten Initialberatung holen. Hierbei können in einem Erstgespräch die Beratungsziele, der Beratungsumfang und die Vorgehensweise festgelegt werden.
Gemeinsam sollte dann eine Anlagenbesichtigung mit Erläuterung der Prozesskette und der Funktion der installierten Ventilatoren vorgenommen werden.
Anschließend sollten die Daten der betreffenden Ventilatoren aufgenommen werden.
Anhand der Daten und der prozeßtechnischen Abhängkeit kann der Berater dann eine erste Bewertung vornehmen und erste Maßnahmenvorschläge in einem Abschlussbericht unterbreiten. Anhand dieser Ergebnisse kann dann entschieden werden, ob eine anschließende Potenzialanalyse durchgeführt werden soll. Bei einer Potenzialanalyse geht es grob darum zu ermitteln, ob

  1. der vorhandene Ventilator sich aufgrund seiner Bauweise und des Zustandes rein mechanisch für eine Umrüstung auf Drehzahlregelung eignet und
  2. durch Ermittlung der Leistungsaufnahmen für einen typischen Prozesszyklus sich bei einer Umrüstung ein ausreichendes Energieeinsparpotenzial  errechnet.
  3. wird bei Anlagenstillstand eine Prüfung der rotierenden Teile auf Verschleiß vorgenommen und eventuell fehlende Geometriedaten die nicht aus vorhandenen Unterlagen hervorgehen vor Ort aufgenommen.
  4. Anhand der Unterlagen kann dann eine Eignungsprüfung zur Umrüstung auf Drehzahlregelung vorgenommen werden. Hierzu werden, soweit   nicht vorhanden, die Läufzeugdaten als 3D-Modell aufgenommen, FE-Berechnung zur Festigkeitsüberprüfung, Modal-Analyse und Eigenfrequenzbestimmung sowie eine Wellenstrangberechnung durchgeführt.
    Sollten alle diese Ergebnisse die grundsätzliche Voraussetzung für eine Umrüstung bestätigen wird
  5. eine Auswahl möglicher Anbieter für die Umrüstung auf Drehzahlregelung vorgenommen.
  6. Angebote eingeholt und eine Überprüfung der Angebote erfolgen.
  7. anhand der Umrüstungskosten und der zu erwartenden Energieeinsparung eine Amortisationsrechnung erstellt.

Regelung von Radial-Ventilatoren

Dipl.-Ing.(FH) Horst Benderoth,
HBC Horst Benderoth Consulting,

Kurzfassung:

In diesem Beitrag werden die drei bekanntesten Regelungsverfahren für Radialventilatoren, die Drosselregelung, Drallregelung und Drehzahlregelung betrachtet und deren unterschiedliche Wirkungsweise aus energietechnischer, regelungstechnischer und schalltechnischer Sicht dargestellt. Darüber hinaus wird das Anlaufverhalten, die Verfügbarkeit sowie die logistische Einbindung in das Gesamtsystem einer prozesstechnischen Anlage beleuchtet und gegenübergestellt.

Vorwort:

Industrie-Ventilatoren werden vorwiegend in prozesslufttechnischen Anlagen eingesetzt. Deshalb gilt es, die Funktion dieser Ventilatoren in Verbindung mit dem Anlagenbetrieb zu betrachten. In allen prozesslufttechnischen Anlagen haben Ventilatoren die Aufgabe, Gasmassenströme in Bewegung zu versetzen, die aufgrund der unterschiedlichsten Prozeßbedingungen angepaßt werden müssen. Um jedoch Gasmassenströme in einer Anlage in Bewegung zu versetzen gilt es, die Systemwiderstände (Druckverluste) in Abhängigkeit der Durchflußmenge zu überwinden, d.h. es ist erforderlich, den Ventilator so auszulegen, das bei der gewünschten Durchflußmenge der Systemdruckverlust durch die Ventilatorkennlinie abdeckt wird.

Im Schnittpunkt der Ventilatorkennlinie mit der System- (Anlagen-) kennlinie stellt sich ein stationärer Zustand ein und es versteht sich von selbst, daß eine Prüfung sowohl hinsichtlich der Charakteristik der Ventilatorkennlinie als auch auf die Auswahl des geeigneten Regelungsverfahrens vorzunehmen ist.

Dieser Beitrag erklärt die Prinzipien der drei wichtigsten Regelungskonzepte und stellt diese aus energietechnischer, regelungstechnischer und schalltechnischer Sicht sowie aus Sicht des Anlaufverhaltens, der Verfügbarkeit / Laufruhe / Lebensdauer und last but not least aus Sicht der logistischen Einbindung in das Gesamtanlagensystem bewertend gegenüber.

 

1. Grundsätzliche Möglchkeiten zur Volumenstromregelung

Zum besseren Verständnis bzw. um die Unterschiede im Teillastbereich sofort in prozentualer Abhängigkeit, bezogen auf den Auslegungspunkt, darstellen zu können, wird entgegen der sonst im Ventilatorenbau üblichen dimensionslosen Kennlinie Ψ(Psi) Druckziffer über Φ(Phi) Lieferzahl, die Kennlinie Δpt Totaldruckdifferenz über dem V Volumenstrom normiert in % aufgetragen, verwendet. Der Schnittpunkt von Ventilator- und Anlagenkennlinie, der Auslegungspunkt des Ventilators, stellt den 100 % Fall dar.

Nachfolgend werden die drei wichtigsten Verfahren zur Volumenstromregelung betrachtet.

                                                                       Bild 1: Drosselregelung [1]

 

 

 

 

 

 

 

Bild 2: Drallregelung [1]                                                     Bild 3: Drehzahlregelung [2]

 

 

1.1     Drosselregelung

1.1.1      Theoretische Betrachtung

Bild 4: Drosselregelung [1,4]

Kurve A in Bild 4 stellt den typischen Verlauf der Totaldruckdifferenz Δpt eines Ventilators, aufgetragen über dem Volumenstrom bei konstanter Drehzahl dar. Gelegentlich wird auch die Darstellung der Förderhöhe H über dem Volumenstrom verwendet, um eine von der Dichte des Fördervolumens unabhängige Darstellungsform zu erhalten.

Beziehung         

Die Kurven B stellen verschiedene Anlagen- oder auch Systemkennlinien dar. Die untere Kurve (BP100) zeigt den typischen Verlauf einer Anlagenkennlinie, d.h. der Anlagenwiderstand (Druckverlust) steigt quadratisch mit dem Volumenstromdurchsatz. Der Schnittpunkt BP100 entspricht dem Auslegungspunkt des Ventilators.

Um nun verfahrenstechnisch verschiedene Volumenströme stationär einstellen zu können, muss die Anlagenkennlinie mit der Ventilatorkennlinie bei dem gewünschten Volumenstrom zum Schnittpunkt gebracht werden. Dies bedeutet, daß bei kleinerem Volumenstrom die Steilheit der Anlagenkennlinie zu verändern ist, oder anders ausgedrückt, es muß ein zusätzlicher Widerstand in der Anlage eingebracht werden. Dies geschieht zweckmäßigerweise durch eine Drosselklappe.

Stellt man jetzt die an der Welle aufgenommene Leistung PW über dem Regelbereich dar, so erhält man die Kurve C.

Die genannten Gesetzmäßigkeiten werden an einem Beispiel näher erläutert.

Beispiel: Um 50% Volumenstrom zu fördern, also den Schnittpunkt zwischen der Ventilatorkennlinie und der Anlagenkennlinie bei 50% Volumenstrom zu erreichen, muß die Anlagenkennlinie derart steil verlaufen, daß der vom Ventilator erzeugten Druckerhöhung von 125% bei Volumenstrom 50% ebenfalls ein Anlagenwiderstand von 125% entgegensteht. D.h. die Differenz von 100% zu dem tatsächlich nur vorhandenen Widerstand von 25% der eigentlichen Anlagenkennlinie wird mittels einer Drosselklappe aufgebaut, oder anders ausgedrückt, es werden 100% Druck an einer Drosselklappe vernichtet bzw. physikalisch gesehen in Wärme umgewandelt.

Da sich der Wirkungsgrad auf 86,8%, bezogen auf den Auslegungspunkt verschlechtert, ergibt sich nach der

Beziehung            zu  

ein Leistungsbedarf von 72%  bezogen auf den Auslegungspunkt mit 100%.

 

1.2.    Drallregelung

1.2.1      Theoretische Betrachtung

Bild 5: Drallregelung [1,4]

 

In Bild 5 ist die Kurvenschar A der Ventilatorenkennlinie, die sich durch die Androsselung mittels Drallregler ergibt, dargestellt. Im Gegensatz zu Bild 4 ergeben sich die Schnittpunkte BP mit der jeweiligen Ventilatorenkennlinie auf der eigentlichen Anlagenkennlinie B. Der Wirkungsgrad wird über den Regelbereich aufgrund der Verschiebung des Schnittpunktes mit der jeweiligen Ventilatorenkennlinie schlechter. Da aber nicht, wie bei der Drosselregelung, ein so hoher Anteil an Druckerhöhung aufgebaut und vom Drosselorgan vernichtet (in Wärme umgewandelt) werden muß, ist der gesamte Leistungsbedarf (siehe Kurve C, Bild 5), günstiger.

Die genannten Gesetzmäßigkeiten werden wiederum an einem Beispiel näher erläutert. Um 50% Volumenstrom zu fördern, also den Schnittpunkt zwischen der Ventilatorkennlinie und der Anlagenkennlinie bei 50% Volumenstrom zu erreichen, muß der Drallregler bis auf ca. 78 Grad zugefahren werden, da sich so im Schnittpunkt BP50  bei 50% Volumenstrom 25% der Gesamtdruckerhöhung einstellen. Der Wirkungsgrad liegt an diesem Betriebspunkt bei 24,5 %, bezogen auf den Auslegungspunkt.

Hierdurch ergibt sich nach der Beziehung

     zu     

ein Leistungsbedarf von 51% bezogen auf den Auslegungspunkt von 100%.

 

1.3      Drehzahlregelung

1.3.1   Theoretische Betrachtung

Nun liegt die Überlegung nahe, den jeweils gewünschten Betriebspunkt BP 100, BP 80 usw., also den Schnittpunkt mit der Ventilatorkennlinie und der eigentlichen Anlagenkennlinie so zu erreichen, daß keine Druckerhöhung an der Klappe vernichtet werden muß bzw. in Wärme umgewandelt wird und der Schnittpunkt in dem von der Ventilatorkennlinie aus gesehenen Bereich des besten Wirkungsgrades bleibt.

Diese Forderungen sind bei der Drehzahlregelung automatisch erfüllt, da die Gesetzmäßigkeit der Anlagenkennlinie und die Abhängigkeit des Volumenstroms und der Förderhöhe (Druckerhöhung) von der Drehzahl des Ventilators durch das Affinitätsgesetzt bestimmt sind. Der Druckverlust einer lufttechnischen Anlage verändert sich, unter der Voraussetzung, daß keine Veränderungen in der Anlage erfolgen (gleicher Rohrleitungsquerschnitt und Verlauf), quadratisch mit der Zunahme des Volumenstromdurchsatzes. Daraus ist abzuleiten, daß die Anlagen- oder auch Rohrleitungskennlinie in der Darstellung eine quadratische Funktion aufweist. Durch die quadratische Anlagenkennlinie treten bei Drehzahlregelung folgende Abhängigkeiten auf:

Der Volumenstrom V ändert sich proportional mit der Drehzahl:

Die Totaldruckerhöhung ΔPt ändert sich mit dem Quadrat der Drehzahl:

Der Leistungsbedarf an der Welle Pw ändert sich mit der dritten Potenz der Drehzahl:

Beispiel: Um 50% Volumenstrom zu fördern, also den Schnittpunkt zwischen der Ventilatorkennlinie und der Anlagenkennlinie bei 50% Volumenstrom zu erreichen, muß die Drehzahl auf 50% gesenkt werden, da sich so im Schnittpunkt BP50  bei 50% Volumenstrom 25% der Totaldruckerhöhung einstellt.

Der Wirkungsgrad liegt an diesem Betriebspunkt bei 88 %, bezogen auf den Auslegungspunkt.

Hierdurch ergibt sich nach der Beziehung

 mit  

ein Leistungsbedarf von 14,2 % bezogen auf den Auslegungspunkt von 100%.

Bild 6 zeigt den Leistungsbedarf und Wirkungsgrad in der bereits bekannten Darstellung bei Drehzahlregelung. Der Wirkungsgrad bleibt theoretisch konstant, nimmt jedoch in der Praxis über den Regelbereich geringfügig ab, da im Gesamtwirkungsgrad eines Ventilators auch das Spiralgehäuse eine Rolle spielt. Dieses läßt sich nicht linear mit der Volumenstromabnahme verkleinern, so daß sich die Strömungsverhältnisse im Ventilator und damit der Wirkungsgrad verschlechtern, wobei dieser theoretischen Annahme die ungünstigste Betrachtung zugrunde liegt. Dieser theoretische Wert von 14,2% stellt sich in der Praxis auch schon deshalb verändert dar, da bei drehzahlgeregelten Anlagen durch antriebsbedingte Größen, z.B. der Fremdlüfter eines Gleichstrommotors oder Verluste des Stromrichtergerätes den kubischen Verlauf der Leistungsbedarfskurve verzerren                    (s. gestrichelte Kennlinie in Bild 6).

 

Bild 6: Drehzahlregelung [1,4]

 

1.4.  Kombinierte Regelungsverfahren

1.4.1 Theoretische Betrachtung

Bevor jedoch bei all den positiven Aspekten für die Drehzahlregelung der Eindruck entsteht, dies sei die einzig empfehlenswerte Regelungskonzeption, soll nicht verschwiegen werden, dass es die berühmte Ausnahme gibt.

Bei all den bisher genannten Vorteilen der Drehzahlregelung wurde eine quadratische Anlagenkennlinie des Prozesses, in dem die Ventilatoren eingesetzt werden, vorausgesetzt. Es gibt jedoch auch Anwendungsfälle, wie z.B. bei Anlagen mit Wirbelschichtfeuerungen, bei denen das Wirbelbett für die Verbrennungsluft einen konstanten Anteil auf hohem Widerstandsniveau über den Regelbereich aufweist und nur ein kleiner Anteil mit quadratischem Verhalten hinzukommt. Bei sehr kleinen Volumenströmen wird hier sogar aufgrund der zur Fluidisierung in der Wirbelbettkammer benötigten höheren Widerstände die Anlagenkennlinie noch ansteigen.

D.h. in der Summe kommt es zu einer sehr komplexen Anlagenkennlinie B, die von 0 in Richtung Auslegungspunkt BP_100% bei hohem Widerstand beginnend erst abfällt, um anschließend wieder anzusteigen.

Eine derartige Anlagenkennlinie kann, wie im Bild 7 [1,4] gezeigt, durch Drehzahlregelung nicht bzw. nur schlecht abgedeckt werden, da eine Drehzahlabsenkung zur Abdeckung solcher Teillastpunkte im Regelbereich nur minimal, in dem dargestellten Beispiel nur zwischen 80 und 100% der Drehzahl möglich ist.

Bild 7: Drehzahlregelung bei der Anlagenkennlinie einer Wirbelschichtfeuerung [1,4]

 

Bei derartigen Einsatzfällen würde man sicherlich im Normalfall eine Drallregelung empfehlen (siehe Bild 8 [1,4])

Bild 8: Drallregelung bei der Anlagenkennlinie einer Wirbelschichtfeuerung [1,4]

 

Andererseits sind gerade bei der Wirbelschichtfeuerung sehr hohe Drücke von 2000 daPa bis zu 3500 daPa und mehr erforderlich, was sich bei Betrieb mit Volumenstrommengen unter 30% mit einem Drallregler bei Drücken oberhalb 2500 daPa problematisch gestaltet. In solchen Fällen, aber auch um das immer noch vorhandene Potential der Energieeinsparung im oberen Volumenstrombereich auszuschöpfen, besteht durchaus die Möglichkeit, die Drall- und die Drehzahlregelung zu kombinieren (siehe Bild 9 [1,4]).

Bild 9: Kombination aus Drehzahl- und Drallregelung bei der Anlagenkennlinie einer Wirbelschichtfeuerung [1,4]

 

Mit der Kombination der Drehzahl- und Drallregelung lässt sich einerseits im Bereich oberhalb 70% des Volumenstroms durchaus noch energiesparend mit Drehzahlregelung arbeiten. Vor allem aber wird im Teillastbereich bereits die Druckerhöhung auf unter 80% durch die Drehzahlregelung und in einen etwas verträglicheren Bereich abgesenkt, um mit der Drallregelung auch Teillast-Volumenströme unter 30% ohne Schäden realisieren zu können.

 

1.5            Bypassregelung

Der vollständigkeitshalber sei erwähnt, dass es immer noch Anlagen gibt, in denen eine Bypassregelung vorgefunden wird. Um die Durchflussmenge in einem bestimmten System zu regulieren, wird bei einer Bypassregelung der in einem weiteren Prozeß nicht erforderliche Volumenstrom über einen Bypass zurückgeführt und damit von dem Ventilator sozusagen im Kreislauf gefördert. Wird nun, wie in dem nachfolgenden Beispiel aufgeführt, der Bypass nicht z.B. über eine Drosselklappe geregelt, sondern offen gefahren, zieht der Saugzug 2 einen größeren Volumenstrom was in dem Systemabschnitt zu einem im Quadrat mit dem Volumenstrom zunehmenden Widerstand führt. Damit stellt sich für Saugzug 2 im Ergebnis der Volumenstrom ein, den er bedingt durch seine Ventilatorkennlinie bei dem erhöhten Widerstand zu fördern in der Lage ist. Im Ergebnis kommt dies einer Drosselregelung gleich.

Beispiel:

Bild 9. Saugzugventilatoren in einer Rauchgasreinigungsanlage hinter einer MVA [4]

Bild 10: Ventilatorkennlinie von Saugzug 1 [4]

Bild 11: Ventilatorkennlinie von Saugzug 2 [4]

 

2.  Gründe für drehzahlgeregelte Radial-Ventilatoren

2.1         Aus energietechnischer Sicht

Erinnern wir uns an die Eingangs dargestellten Kennlinien in %-tualer Abhängigkeit bezogen auf den Auslegungspunkt und betrachten die Leistungskurven der drei angesprochenen Regelungsarten über den Regelbereich Bild 12 [1,4], so bleibt das

1. wichtige Argument für die Drehzahlregelung wie folgt festzuhalten;

„Drehzahlregelung bei quadratischer Anlagenkennlinie = Energieeinsparung“

 

Bild 12 : Gegenüberstellung der Leistungsbedarfskurven C = Pw aufgetragen in % bezogen auf den Auslegungspunkt [1,4]

 

 

2.2     Aus regelungstechnischer Sicht

Für jeden Anlagenbauer aber auch Anlagenbetreiber stellt die Kurvencharakteristik einer Drossel- oder auch Drallregelung eine besondere Herausforderung dar. Wird z.B. mit einem Schrittregler in Verbindung mit dem Stellantrieb der Drossel- oder auch Drallklappe gearbeitet, kann es leicht vorkommen, dass im Teillastbereich zwischen 25% und 60% des Volumenstromdurchsatzes, was häufig nur einem Stellbereich zwischen 10% und 20 % entspricht, ein kleiner Step des Schrittreglers schon eine zu große Volumenstromveränderung zur Folge hat. Die Folge ist, die übergeordnete Regelung gibt einen ‚Step zurück’ vor, was wiederum einen zu  kleinen Volumenstrom bedeutet. So schaukelt die Regelung das System um den nicht zu erreichenden Volumenstrom auf.

Dies sieht bei der Drehzahlregelung ganz anders aus.

Hierbei verändert sich der Volumenstrom linear mit der Drehzahländerung des Ventilators, das führt zum 2. wichtigen Argument für die Drehzahlregelung (Bild 13 [1,4]);

 „Drehzahlregelung = lineare Regelcharakteristik“

Bild 13: Regelcharakteristik [1,4]

1= Regelcharakteristik bei Drossel- bzw. Drallregelung ΔV1 = Fördervolumenänderung bezogen auf einen Stellbereich  Δ%.

2= Regelcharakteristik bei Drehzahlregelung  ΔV1 = Fördervolumenänderung bezogen auf einen Stellbereich  Δ%.

 

2.3 Aus schalltechnischer Sicht

Bei den heutigen Forderungen nach geräuscharmen Anlagen würde die Entscheidung, allein unter dem Gesichtspunkt “Geräuschverhalten” betrachtet, eindeutig für die Drehzahlregelung ausfallen.

Doch auch aus Kostensicht sollte man eine Gesamtbetrachtung anstellen, denn jeder Ventilator wird im Teillastbereich bei Drossel- oder auch Drallregelung je nach Leistungsdaten zwischen 5 und 8 dB(A) lauter.

Unter der Voraussetzung, daß der Auslegungspunkt des Ventilators ein mit Reserve vom Betreiber und Anlagenbauer bedachter Bestellpunkt ist, d.h. der tatsächliche max. Anlagenbetriebspunkt liegt häufig zwischen 80% und 90% bezogen auf den Bestellpunkt, ist ein drehzahlgeregelter Ventilator nochmals 4-5 dB(A) leiser als im Auslegungspunkt. Daraus resultiert, das bei richtiger Argumentation mit dem Anlagenbauer bzw. Betreiber eine Reduzierung der Schalldämmmaßnahmen zwischen 9 und 13 dB(A) möglich ist, wenn eine Drehzahlregelung einsetzt wird. Dies kann in vielen Fällen bereits bei den Beschaffungskosten die Mehrkosten einer Drehzahlregelung aufheben.

Daraus folgt das 3. wichtige Argument für die Drehzahlregelung
„Drehzahlregelung = günstigeres Geräuschverhalten“

 

Bild 14: Schalldruckpegelveränderung eines Radialventilators bei verschiedenen Regelungssystemen, aufgetragen über den Regelbereich in %, bezogen auf den Auslegungspunkt [1,4]

 

 

2.4         Aus Sicht des Anlaufverhaltens

Bei Hochdruckventilatoren ist das Massenträgheitsmoment sehr groß, deshalb ist in vielen Fällen ein größerer Motor erforderlich, als dies in Bezug auf die erf. Wellenleistung notwendig wäre.

Da das Stromnetz den mehrfachen Motornennstrom des gewählten Motors als Anlaufstrom aufnehmen muss, wird oft aus Sicht des Betreibers und dessen Netzverhältnissen die Forderung nach dem am geringsten möglichen Anlaufstrom und damit nach der Drehzahlregelung gestellt. Der Start eines drehzahlgeregelten Ventilators erfolgt über eine im Frequenzumrichtereingestellte Rampe, wobei der Strom auf max. des 1,1-fachen des Nennstroms (max. Begrenzung) ansteigt.

Dagegen nimmt ein Drehstrommotor über Stern-Dreieck-Schaltung am Netz eingeschaltet den 2,7 bis 3-fachen und bei Direkt-Einschaltung sogar den bis zu 7-fachen Nennstrom auf.

D.h. wenn auch der Anlagenbauer konsequent die Rechnung bis zum Schluss durchführt und die bei Drehzahlregelung kleineren Anlaufströme mit den hieraus resultierenden kleiner zu bemessenen Niederspannungsverteilungen, Hauptschaltern, Kabelquerschnitten etc. mit aufrechnet, ist allein das Anlaufverhalten auch aus Kostensicht ein

  1. gewichtiges Argument für die Drehzahlregelung (Bild 15 [2]).

 „Drehzahlregelung = ideales, stromsparendes, mechanisch schonendes   Anlaufverhalten“

Bild15: Anlaufstrom zu Nennstrom  [2]

Bei Direkt-Einschaltung 6-7-fache IN;   Bei Stern-Dreieck-Schaltung ca.2,5-fache IN;   Bei Hochlauf am Frequenzumrichter ca. 1,1-fache IN

 

Beispiel 1:

Für ein Krankenhaus soll die Energieversorgung der Kesselanlage durch ein zusätzliches Notstromaggregat sichergestellt werden.

Der Ventilator für die Zuführung der Verbrennungsluft benötigt im Auslegungspunkt eine Wellenleistung von 95 kW. Rechnerisch ist ein 110 kW Motor ausreichend.

Bedingt durch das hohe Massenträgheitsmoment würde ein 110 kW Motor den Anlauf nur bei Direkteinschaltung schaffen.

Der Anlaufstrom beträgt in diesem Fall : 205 A x 7,2 = 1476 A

Alternativ wird ein 132 kW Motor gewählt, der den Anlauf in Stern- Dreieck Schaltung realisiert.

Der Anlaufstrom ist hierbei: 245 x 2,2 = 539 A

Bei einem drehzahlgeregelten Drehstrommotor gilt folgende Alternative zu den beiden Möglichkeiten:

Beschleunigung des Ventilators an der Nennstromgrenze bzw. max. dem1,1-fachem Nennstrom mit einem 110 kW-Motor, d.h. der Anlaufstrom bei Drehzahlregelung beträgt 205 A max. 1,1 x 205 A = 226 A

Wenn damit die Einsparung von dem kleiner zu bemessenden Netz und vor allem dem kleineren Notstromaggregat ins Verhältnis zu den höheren Anschaffungskosten der Regeleinrichtung gesetzt wird, halten sich die tatsächlichen Gesamtanschaffungskosten die Waage.

Beispiel 2:

Stellen Sie sich die Kettenreaktion bei einem Rauchgasrezirkulationsventilator vor, dessen Aufgabe es ist, einen kleinen Teilstrom des Abgasvolumens wieder zurück in die Verbrennung zu führen, um durch Rezirkulation und Nachverbrennung bessere Abgaswerte in Bezug auf NOx zu erzielen. Aufgabenbedingt handelt es sich hierbei um Ventilatoren, die Rauchgase mit relativ kleinem Volumenstrom, jedoch mit hoher Temperatur und damit kleiner Dichte gegen den Systemdruck, also mit hoher Druckerhöhung fördern müssen. Im Einsatz sind schmale, große Räder mit, bezogen auf die erforderliche Antriebsleistung, große Schwungmassen. Hier werden häufig Flüssigkeitsanlaufkupplungen eingesetzt, um mit einem kleineren Motor bei hohem Ventilatormassenträgheitsmoment den Anlauf zu realisieren. Diese Flüssigkeitskupplungen geben die durch Schlupf erzeugte Wärme wieder über ein außen auf der Kupplung angegossenes offenes Laufrad als Kühlrippen an die Umgebung ab. Das wiederum erzeugt einen Schalldruckpegel, der häufig genug oberhalb des geforderten Wertes liegt, was zur Folge hat, daß über dem Antriebsteil (nur wegen der Anlaufkupplung) eine Schalldämmhaube erforderlich ist. Rechnet man die Mehrpreise für die Anlaufkupplung und die sonst nicht erforderliche Schalldämmhaube gegen den Mehrpreis eines Frequenzumrichters auf, zeigt sich, dass in vielen Fällen die Drehzahlregelung bereits bei den Anschaffungskosten die günstigere Lösung ist.

 

2.5    Aus Sicht der Verfügbarkeit / Laufruhe / Lebensdauer

Das 5. wichtige Argument für Drehzahlregelung ist die „mechanische Laufruhe“.

Dies gilt in zweierlei Hinsicht.

  1. Im Teillastbereich werden bei Drossel- aber auch Drallregelung die Ventilatoren mit voller Drehzahl betrieben und der nicht benötigte Fördervolumendurchsatz mehr oder weniger abgesperrt, d.h. der Ventilator läuft, salopp ausgedrückt, im eigenen Saft. Hierbei entstehen Rückströmungen im Schaufelkanal, die wiederum einen Anstieg auf der Kennlinie und damit ein Anarbeiten gegen den höheren Druck zur Folge, haben bis der Wirbel (sprich die Rückströmung) überwunden wird (in sich zusammenbricht) und der Ursprungspunkt auf der Kennlinie wieder erreicht wird. Dann beginnt das Spiel von neuem. Diese turbulente Strömung führt zu nicht unerheblichen Druckschwankungen und damit Schwingungsanregungen sowohl auf das Laufzeug wie auch auf das Gehäuse und vor allem auch auf das Regelorgan.

Das Ergebnis ist, Ventilatoren mit eine größeren Totaldruckerhöhung, je nach Bauweise >1500 daPa, sollten bei Verwendung einer Drossel- oder Drallregelung nicht unter 30% des Volumenstroms betrieben werden.

  1. Für den Fall, daß das Fördermedium Feststoffe beinhaltet, führt die Rückströmung im Schaufelkanal zu erhöhter Anbackungsgefahr auf der Schaufelsaugseite, mit dem Ergebnis, daß die Stillstandsintervalle zur Reinigung des Laufrades wesentlich kürzer ausfallen als dies bei Drehzahlregelung in sonst gleichen Randbedingungen der Fall wäre. Dies ist auch leicht einsichtig, da bei Drehzahlregelung eine mehr oder weniger gerichtete Strömung mit nur nehmender Geschwindigkeit den Schaufelkanal durchströmt und so die Staubbeladung aus dem Schaufelkanal heraus transportieren kann (Bild 16 [1,4]).

In der Praxis hat diese Erkenntnis dazu geführt, daß Saugzüge nach einem Naßwäscher in Rauchgasreinigungsanlagen überwiegend mit Drehzahlregelungen ausgeführt werden.

Teillastbetrieb bei Drehzahlregelung      Teillastbetrieb bei Drossel- bzw. Drallregelung

Bild 16: Anbackungsverhalten [1,4]

Das Absenken der Drehzahl im Teillastbereich ermöglicht nicht nur eine energetisch günstige Anpassung der Ventilatorleistung an die Betriebszustände, darüber hinaus werden mechanische Bauteile geringer belastet, was sich positiv auf die Lebensdauer des Gesamtaggregates auswirkt.

 

2.6         Aus Sicht der logistischen Einbindung in das Gesamtanlagensystem

Die neue Generation der Frequenzumrichter ist mehr und mehr durch den Einsatz von Mikroprozessoren gekennzeichnet, sodass sich der Weg zur vollen integrationsfähigen, örtlichen Intelligenz bereits in Ansätzen bei dem ein oder anderen Fabrikat abzeichnet. D.h. hier kann der regelbare Antrieb in Zukunft gleichzeitig einen Teil der örtlichen Intelligenz eines Ventilators übernehmen, bei der in Verbindung mit der Überwachungselektronik des maschinentechnischen Teils (z.B. Schwingungen, Lagertemperatur, Ist-Drehzahl etc.) alle wesentlichen Parameter vor Ort zusammengefasst, ausgewertet und als Statusmeldung bzw. Betriebsparameter über ein LAN mit einem übergeordneten Leit- bzw. Prozessrechner oder sogar im Rahmen eines Wartungsvertrages über ein WAN (Wide Area Network) wie z.B. dem Internet zur zustandsorientierten Fernüberwachung durch den Lieferanten ausgetauscht werden. Erste Realisierungen in dieser Richtung sind bereits im Einsatz. Sinn der Vernetzung ist es, örtliche Parameter des Gesamtprozesses dezentral zu verarbeiten und zentral zur Überwachung zur Verfügung zu stellen und, wenn notwendig, Korrekturen vornehmen zu können, Fehlerprotokolle auszutauschen, Serviceleistungen per Internet zu realisieren usw.

Bild 17: Fernüberwachung Vibnode [9]

Die Einbindung der Antriebe mittels Feldbuskoppelung, wie z.B. PROFIBUS, machen eine Überwachung und den Update von Parametern vom Intranet bis zum Internet genauso wie per Telefonnetz weltweit möglich. Damit eröffnen sich ganz neue Möglichkeiten zu Serviceleistungen per Telekommunikation.  Auch heute schon sind, wenn auch noch mit getrennten Systemen, Komponenten zur Ferndiagnose auf dem Markt. Dies öffnet die Möglichkeit, mittels Wartungsvertrag, eine vorbeugende Instandhaltungsmaßnahme, nach eingehender online Überwachung und Analyse durch die Fachexperten, mit dem Betreiber abzustimmen, bevor ein größerer Schaden durch unvorhergesehenen Ausfall der Produktion entsteht.

 

3. Erforderlicher Abgleich des kompletten Ventilatorsystems

Ein Problem, das sehr deutlich die Untrennbarkeit von Ventilator, Motor und Frequenzumrichter nicht nur im Sinne der EU-Richlinie 327/2011 zeigt, ist das Schwingungsproblem.

Da sich die HBC seit Jahrzehnten mit der Thematik „drehzahlgeregelter Ventilatoren“ befasst, können wir aus eigener Erfahrung folgendes feststellen:

Die auf den ersten Blick selbstverständliche Aufteilung der Liefergrenzen – Ventilator auf der einen Seite, regelbarer Antrieb, also Motor und Umrichter, zur E-Technik bzw. Regelungstechnik auf der anderen Seite – hat immer wieder die Grauzone, nämlich das Abstimmen im Hinblick auf einen schwingungsarmen Lauf nach ISO/DIS 14694 [5] bzw. >300 kW Antriebsleistung nach DIN ISO 10816-3 [6] vernachlässigt, für das sich keine der beiden Lieferparteien zuständig fühlte. So traten zwangsläufig Schwingungsprobleme des Gesamtsystems auf, mit dem Ergebnis, daß die Schwingungsprobleme als Garantiepunkt zwischen den Parteien strittig hin und her geschoben wurden.

Das Ergebnis unserer Untersuchungen zeigt nun, dass es sich bei einem drehzahlgeregelten Ventilator schwingungstechnisch um ein sehr komplexes System handelt. Dieses System ist nicht einmal mit Hilfe modernster Rechnerprogramme, wie z.B. Finite Elemente, in einem angemessenen Aufwand vorausbestimmbar.

Das bedeutet, Resonanzschwingungen können konstruktiv nur aufwendig vermieden werden. Die Ursache liegt in der Kombinationsvielfalt von den verschiedensten Erreger- und Eigenschwingungen:

Im Folgenden sind einige der Schwingungsursachen dargestellt.

Der gewünschte Regelbereich von z.B. 5-50 Hz, d.h. ein weites Spektrum an Erregerfrequenzen. Die Ausgangsspannung eines Frequenzumrichters enthält neben der gewünschten Grundschwingung Lamda = 1 eine Reihe von Oberschwingungen mit den Ordnungszahlen Lamda = 5,7,11  usw. Diese Oberschwingungen bewirken abwechselnd mit- und gegensinnig zu den Grundschwingungsfeldern mit lamda-facher Geschwindigkeit umlaufende zusätzliche Drehfelder [7]. Hierdurch können asynchrone Sattelmomente gebildet werden. In jedem Fall aber treten zusätzliche magnetische Anregungen durch Umrichterspeisung im Motor auf [8]. Resonanzen können im Motor und im Ventilator auftreten. Ein Beispiel: Allein die Tatsache, Wälzlager bei verschiedenen Frequenzen von 5-50 Hz zu betreiben, kann im Lager zu Resonanzen führen. Wird die Erregerfrequenz jetzt noch von Oberwellen Lamda-facher Ordnung überlagert, ist die Wahrscheinlichkeit, Resonanzpunkte zu erhalten, um ein Vielfaches gestiegen. Resonanzverhalten durch Eigenspannungen: Ein Ventilator bleibt selbst bei stabilster Ausführung letztlich eine Blechschweißkonstruktion mit den verschiedensten Eigenspannungen im Blech, schwingungstechnisch ein idealer Resonanzkasten. Erregt man diesen, wie unter 1. und 2. beschrieben, trifft man mit 90%-iger Sicherheit auf Resonanzpunkte, die durch Verstimmen beseitigt werden müssen.

Nicht zu unterschätzen ist die Tatsache, daß bei einem Ventilator ein kompressibles Medium gefördert wird, das kleinste drehfrequente Schwingungen verstärkt und nicht, wie z.B. bei einer Pumpe, dämpft.

 

4. Konsequenz:

Das System Ventilator, Motor und Frequenzumrichter muß aus schwingungstechnischer Sicht so aufeinander abgestimmt werden, daß über den garantierten Regelbereich alle Resonanzschwingungen beseitigt werden, um die geforderte Schwinggüte nach ISO/DIS 14694  [9] bzw. >300 kW Antriebsleistung nach DIN ISO 10816-3  [6] einhalten zu können.

Bild 18: Schwingungen durch Oberwellenspektren [1] [3]

Die hierzu erforderlichen Arbeiten sind in jedem Fall von den Komponentenlieferanten zu fordern, da anderenfalls die erforderliche Schwinggüte nicht garantiert werden kann. Die Abgleicharbeiten eines drehzahlgeregelten Ventilators sollten idealerweise (soweit von der Leistungsgröße her wirtschaftlich sinnvoll) auf einem Ventilatorprüfstand durchgeführt werden, weil nur hier klar zwischen elektrischen Schwingungen des Antriebs, mechanischen Schwingungen des Ventilators oder aber Schwingungen der vom Ventilator aufgebauten Gassäule (Pumpen, Strömungsabrisse, Verwirbelungen im Leitungssystem etc.) unterschieden werden kann. Auf diese Art und Weise lassen sich im Vorhinein Unstimmigkeiten über Ursache und Wirkung im Anlagenprozess vermeiden. Im Prüffeld kann jede Rückwirkung des Systems ausgeklammert werden und somit ein optimales und vor allem stabiles, schwingungsarmes Laufverhalten eingestellt und  parametriert werden.

 

 5. Fazit

So sprechen bis auf wenige prozessbedingte Anwendungsfälle, 6 wichtige Argumente für die Drehzahlregelung als die ideale Regelungsart für Ventilatoren, wenn 2 Vorraussetzungen erfüllt sind.

Es muß aus prozesstechnischer Sicht der Ventilator über weite Bereiche im

  1. Teillastbetrieb gefahren werden und
  2. die Anlagen- oder auch Systemkennlinie muß, wie bei den vorangegangenen Betrachtungen vorausgesetzt, eine quadratische Kennlinie sein.

Das wichtigste Argument aber ist und bleibt die Energieeinsparung. Drehzahlgeregelte Ventilatoren tragen somit zur Schonung der Energieressourcen und damit zur Entlastung der Umwelt bei.

 

 

Literatur- bzw. Bildverzeichnis :

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[1]      Bilder, Kennlinien, etc. – mit freundlicher Überlassung der Firma Konrad Reitz Ventilatoren

[2]      mit freundlicher Überlassung der Firma Siemens AG

[3]      mit freundlicher Überlassung der Firma ABB

[4]      mit freundlicher Überlassung der Firma HBC Horst Benderoth Consulting

[5]      ISO/DIS 14694: Industrial fans – Specifications for balance quality and vibration levels

[6]      DIN ISO 10816-3 :Bewertung der Schwingungen von Maschinen durch Messungen an nicht-rotierenden Teilen

[7]      Auinger, H.: Einflüsse der Umrichterspeisung auf elektrische Drehfeldmaschinen

[8]      Auinger, H:  VDE-Seminar 84/14 vom 05.12.1984

[9]      mit freundlicher Überlassung der Firma Prüftechnik Condition Monitoring GmbH