STRELOW, Günter (Kiefernweg 2, Bochum, 44801, DE)
KETTNER, Thorsten (Hermannstrasse 23, Datteln, 45711, DE)
GROSSE WESTHOFF, Edgar (Gertrudenstrasse 11, Beckum, 59269, DE)
STRELOW, Günter (Kiefernweg 2, Bochum, 44801, DE)
KETTNER, Thorsten (Hermannstrasse 23, Datteln, 45711, DE)
| Patentansprüche
1. Verfahren zur Durchführung einer Rohrnetzanalyse eines Rohrnetzes, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Endzweig eines Rohrnetzes eine dezentrale Pumpe zugeordnet ist/wird, wobei für Paare von Pumpen jeweils wenigstens ein Paar von ausgewählten Betriebszuständen bei den Pumpen eingestellt wird, wobei für jedes Paar von Betriebszuständen der Gesamtvolumenstrom im Rohrnetz oder die Teilvolumenströme in den Endzweigen bestimmt werden, wonach der Leitungswiderstand Ku der von beiden Pumpen gemeinsam genutzten Rohrabschnitte und der Zweigwiderstand Ru des ausschließlich nur von der Pumpe Pi genutzten Endzweiges berechnet werden anhand der bestimmten und durch die eingestellten Betriebszustände gegebenen Größen.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass alle möglichen Kombinationen von je zwei Pumpen gewählt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet dass anhand einer Analyse ausgewählter Paare von Pumpen die in der Folge verwendeten Paare von Pumpen auf die zur Erlangung des Ergebnisses erforderlichen Paare eingeschränkt werden oder zumindest ausgewählte Paare von Pumpen bei dem weiteren Verfahren nicht vermessen werden, für die aufgrund der Ergebnisse der ersten Analyse kein weiterer Erkenntnisgewinn bzgl. des Rohrnetzes zu erwarten ist.
4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach Auswahl eines Paares von Pumpen Pi, Pj und des dadurch definierten Teilnetzes des gesamten Rohrnetzes sichergestellt wird, dass trotz des Betriebs der Pumpen Pi, Pj eine Fluidförderung durch nicht zum Teilnetz gehörende Bereiche des Rohrnetzes verhindert ist, insbesondere durch Magnetventile oder Rückflussverhinderer. 23
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Paar von Betriebszuständen eingestellt wird, bei dem eine Pumpe Pi mit bekannter Drehzahl läuft und eine Pumpe Pj durch Zuschaltung auf diejenige Drehzahl eingestellt wird, ab der die zugeschaltete Pumpe Pj zum Gesamtvolumenstrom oder zu einem Teilvolumenstrom beiträgt.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein nächstes Paar von Betriebszuständen eingestellt wird, bei dem die Drehzahl der Pumpe Pj auf eine andere bekannte Drehzahl erhöht wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes Paar von Betriebszuständen eingestellt wird, bei dem eine Pumpe Pi mit bekannter Drehzahl läuft und eine Pumpe Pj ausgeschaltet ist und ein zweites Paar von Betriebszuständen eingestellt wird, bei dem eine Pumpe Pj mit bekannter Drehzahl läuft und eine Pumpe Pi ausgeschaltet ist und ein drittes Paar von Betriebszuständen eingestellt wird, bei dem eine der beiden Pumpen mit bekannter Drehzahl läuft und die andere Pumpe auf den gleichen Förderstrom eingestellt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes Paar von Betriebszuständen eingestellt wird, bei dem beide Pumpen mit beliebigen ersten Drehzahlen laufen und ein zweites Paar von Betriebszuständen eingestellt wird, bei dem beide Pumpen mit beliebigen zweiten Drehzahlen laufen.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes Paar von Betriebszuständen eingestellt wird, bei dem eine Pumpe Pi mit bekannter Drehzahl, insbesondere maximaler Drehzahl läuft und eine Pumpe Pj ausgeschaltet ist, und ein zweites Paar von Betriebszuständen eingestellt wird, bei dem eine Pumpe Pj mit bekannter Drehzahl, insbesondere maximaler Drehzahl läuft und eine Pumpe Pi ausgeschaltet ist, und ein drittes Paar von Betriebszuständen eingestellt wird, bei dem beide Pumpen mit bekannten Drehzahlen, insbesondere maximalen Drehzahlen laufen
10. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass aus der ermittelten Matrix Ru zu jeder Pumpe Pi der 24
Endzweigwiderstand bezüglich aller Pumpen des gesamten Rohrsystem ermittelt wird durch Suche des Minimums in der Spalte I der Matrix Ru.
11.Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass aus der ermittelten Matrix Ku der für alle Pumpen gemeinsame Rohrnetzwiderstand ermittelt wird durch Suche des Minimums aus allen Matrixeinträgen.
12. Verfahren nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass durch Subtraktion des ermittelten Minimums von allen Matrixeinträgen zu jeder betrachteten Pumpe Pi diejenigen Pumpen Pj bestimmt werden, die mit der betrachteten Pumpe Pi in einem Teilnetz angeordnet sind, durch Aufsuchen derjenigen Matrixeinträge in den Zeilen J, die zu einer Spalte I einen Eintrag ausserhalb eines vorgegebenen Werteintervalls aufweisen.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass durch Subtraktion des Minimums von allen Matrixeinträgen eines aufgefundenen Teilnetzes zu jeder Pumpe des Teilnetzes Pi diejenigen Pumpen Pj bestimmt werden, die mit der betrachteten Pumpe Pi wiederum in einem Teilnetz angeordnet sind, durch Aufsuchen derjenigen Matrixeinträge in den Zeilen J, die zu einer Spalte I einen Eintrag ausserhalb eines vorgegebenen Werteintervalls aufweisen.
14. Verfahren nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch die iterative Ausführung der Schritte nach Anspruch 13, bis dass keine weiteren Teilnetze mehr ermittelt werden.
15. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Gesamtvolumenstrom im Rohrnetz bestimmt wird durch einen zentralen Sensor oder eine zentrale beobachtbare Pumpe.
16. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilvolumenströme in den Endzweigen bestimmt werden durch dezentrale Sensoren oder dezentrale beobachtbare Pumpen. |
Verfahren zur Durchführung einer Rohmetzanalyse eines Rohrnetzes
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Durchführung einer Rohrnetzanalyse eines Rohrnetzes.
Rohrnetze kommen in allen Bereichen der Technik vor. Beispiele sind die Prozesstechnik in der chemischen Industrie oder der Lebensmittelindustrie, die Petrochemie, Wasserver- und -entsorgung usw.
Insbesondere kommen Rohrnetze in Gebäuden vor, beispielsweise um fluide Medien, insbesondere Flüssigkeiten, wie z.B. Wasser, innerhalb eines solchen Rohrnetzes umlaufen zu lassen, um beispielsweise eine Beheizung oder aber auch eine Kühlung eines Gebäudes durchführen zu können. Für die Steuerung oder Regelung des Fluidflusses in einem Rohrnetz ist es dabei von besonderer Relevanz, dass es bekannt ist, wo das umgewälzte Fluid gemeinsame Rohrabschnitte durchfließt, wo es an Verzweigungspunkten aufgeteilt wird und insbesondere wie groß die Rohrwiderstände der einzelnen Rohrabschnitte sind.
Derartige Informationen können z.B. in neuen Anwendungen relevant werden, bei denen Rohrnetze für die Heizanwendungen derart ausgebildet sind, dass jedem Wärmeübertrager statt eines Thermostatventils eine dezentrale Pumpe zugeordnet ist.
Hierbei bedeutet die Zuordnung einer dezentralen Pumpe zu einem Wärmeübertrager, dass je eine Pumpe, insbesondere eine Pumpe alleine pro Wärmeübertrager vorgesehen ist, um für den Fluidfluss durch den Wärmeübertrager zu sorgen. Hierbei kann eine dezentrale Pumpe unmittelbar
räumlich bei einem Wärmeübertrager angeordnet sein, wie es von der Anordnung üblicher Thermostatventile bekannt ist, also beispielsweise im Vorlauf, oder auch im Rücklauf. Dies ist jedoch nicht zwingend notwendig. Eine dezentrale Pumpe kann irgendwo in einem Teilnetz eines Rohrnetzes angeordnet sein, in dem sich nur die wenigstens eine dezentrale Pumpe und der zugeordnete Wärmeübertrager befinden. Somit können z.B. alle dezentralen Pumpen aller Wärmeübertrager auch räumlich zentral angeordnet sein, z.B. in der Nähe eines Wärmeerzeugers, beispielsweise im Keller eines Gebäudes.
Die Erfindung ist jedoch nicht auf diesen Anwendungsbereich beschränkt, sondern ist auch für andere Anwendungen einsetzbar, z.B. bei der Heizung und Kühlung von Gebäuden, auch beim Einsatz klassischer Thermostatventile oder anderer Regulierungsmechanismen. Insbesondere ist die Erfindung anwendbar auf Rohrnetze, bei denen vorübergehend zur Analyse dezentrale Pumpen eingesetzt werden.
Der Vorteil, ein Rohrnetz hinsichtlich der oben genannten Kriterien genau zu kennen, liegt beispielsweise darin, dass zur Erreichung gewünschter Förderströme oder sonstiger Bedingungen es nicht mehr einer Regelung bedarf, sondern dass eine Steuerung der Komponenten im Rohrnetz, wie z.B. von Ventilen oder Pumpen vorgenommen werden kann rein anhand berechneter Daten.
Im Fall einer Neuprojektierung eines Gebäudes, bei der ein Rohrnetzplan von Anfang an erstellt wird, sind diese Daten im Prinzip bekannt, da den Ingenieuren für die weitere Auslegung und Planung von Heiz- oder auch Kühlanlagen z.B. mit Ventilen oder Pumpen somit sämtliche Informationen über das Rohrnetz von Anfang an zur Verfügung stehen, also z.B. über gemeinsame Rohrnetzabschnitte, Endzweige, Verzweigungspunkte, Widerstände der Rohrnetzabschnitte etc.
Dabei ist die Berechnung mit erheblichen Ungenauigkeiten verbunden und es können sich während der Bauphase Abweichungen von der ursprünglichen Planung ergeben. Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung solche Abweichungen
und mögliche Planungsfehler nach Fertigstellung des Gebäudes festzustellen und zu analysieren.
Darüber hinaus gibt es eine Vielzahl von Fällen, beispielsweise bei der Modernisierung von Gebäuden, wo auf ursprüngliche Rohmetzpläne nicht zurückgegriffen werden kann und insofern Informationen über die Topologie eines Rohrnetzes nicht bekannt sind.
Es ist somit weiterhin die Aufgabe der Erfindung, beliebige Rohrnetze, insbesondere für die Heiz- oder auch für die Kühlanwendung in Gebäuden, zu analysieren, um Informationen über die Widerstände und Anordnung von Endzweigen oder gemeinsamen Rohrnetzabschnitten des betrachteten Rohrnetzes zu gewinnen. Beispielsweise können so genügend Informationen zur Verfügung gestellt werden, um Steuerungs- und Regelungsaufgaben in Rohrnetzen jeglicher Art durchführen zu können. Des Weiteren können die Informationen der durchgeführten Rohrnetzanalyse beispielsweise zur Optimierung der hydraulischen Anlage, insbesondere für einen hydraulischen Abgleich verwendet werden.
Gelöst wird die Erfindung durch ein Verfahren zur Durchführung einer Rohrnetzanalyse eines Rohrnetzes beliebiger Art, bei dem jedem Endzweig eines Rohrnetzes eine Pumpe, insbesondere mit bekannter Pumpenkennlinie zugeordnet ist/wird. Eine solche Pumpe wird im Sinne der Erfindung als eine dezentrale Pumpe bezeichnet. Hierbei ist es, wie eingangs genannt, unerheblich, ob die dezentrale Pumpe einem Endzweig nur hydraulisch oder auch räumlich zugeordnet ist.
Es können bevorzugt alle Pumpen identisch ausgeführt sein und können somit dieselbe Kennlinie haben. Dies vereinfacht das Verfahren, ist jedoch nicht zwingend notwendig. Als weitere Alternative können auch dezentrale Pumpen mit unbekannter Kennlinie verwendet werden, bei denen die Förderhöhe der Pumpe
über die Messung mittels eines Sensors, beispielsweise eines Differenzdrucksensors bestimmt wird.
Bezogen auf das Anwendungsbeispiel bei Heizrohrnetzen können die Endzweige z.B. durch die Positionen der Wärmeübertrager in einem Gebäude identifiziert werden. In einem Heizrohrnetz ist somit jedem Wärmeübertrager eine solche dezentrale Pumpe zugeordnet und übernimmt die Durchflussregelung, z.B. an Stelle eines üblicherweise bekannten Thermostatventils. Analog können in einer Kühlanlage die Endzweige durch die Positionierung der zur Kühlung dienenden Wärmeübertrager oder Kühlaggregate gegeben sein. Unter einem Wärmeübertrager werden allgemein alle Anordnungen verstanden, mittels denen Wärme aufgenommen wird (zu Kühlzwecken) oder abgegeben wird (zu Heizzwecken). Beispielsweise sind auch Flächen-Wärmeübertrager umfasst, wie sie z.B. bei Fußbodenheizungen oder Kühlflächen vorkommen.
Gemäß der Erfindung ist es weiterhin vorgesehen, dass für Paare (ein Paar gleich zwei Pumpen) von Pumpen jeweils wenigstens ein Paar von ausgewählten Betriebszuständen bei den Pumpen eingestellt wird, und wobei für jedes Paar von Betriebszuständen der Gesamtvolumenstrom im Rohrnetz oder die Teilvolumenströme in den Endzweigen bestimmt werden. Anschließend können der Leitungswiderstand Ku der von beiden Pumpen gemeinsam genutzten Rohrabschnitte und der Endzweigwiderstand R (J des ausschließlich nur von der Pumpe Pi genutzten Endzweiges berechnet werden anhand der bestimmten und durch die eingestellten Betriebszustände gegebenen Größen. Hierbei werden durch die beiden Indizes I und J die beiden betrachteten Pumpen identifiziert.
Der wesentliche Kerngedanke der Erfindung ist es, dass mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens ein beliebiges Rohrnetz zergliedert wird durch die Zuordnung jeweils einer dezentralen Pumpe zu einem Endzweig, so dass bei Betrachtung eines Paares von Pumpen, d.h. einer Kombination von zwei Pumpen ein Teilbereich des gesamten Rohrnetzes einer Untersuchung unterzogen werden kann hinsichtlich des Leitungswiderstands, der von diesen zwei betrachteten
Pumpen gemeinsam genutzten Rohrabschnitte und der Zweigwiderstände des ausschließlich nur von einer der beiden Pumpen genutzten Endzweiges dieses untersuchten Rohrnetzteilbereiches.
Es besteht so die Möglichkeit, durch die Auswahl verschiedener Kombinationen von Pumpenpaaren jeweils immer verschiedene Teilbereiche des Gesamtrohrnetzes einer Untersuchung zu unterziehen, so immer bezogen auf das betrachtete Pumpenpaar die Widerstände von den gemeinsamen Rohrnetzabschnitten und jeweiligen Endzweigen zu bestimmen, so dass anhand einer fortlaufenden Analyse mit einer Vielzahl von möglichen Paaren von Pumpen, gegebenenfalls auch mit allen möglichen Kombinationen von zwei Pumpen, sukzessive Informationen über das gesamte Rohrnetz angesammelt werden können und somit das gesamte Rohrnetz hinsichtlich der Widerstände und/oder gegenseitigen Anordnung von jeweils gemeinsamen Rohrnetzabschnitten und Endzweigen analysiert ist.
Hierbei ist es vorteilhaft, wenn bei der Analyse eines Teilnetzes mit einem bestimmten Pumpenpaar sichergestellt wird, dass keine Durchströmung eines anderen Teilbereiches des Rohrnetzes erfolgt. Hierfür kann es vorgesehen sein, z.B. Magnetventile und/oder Rückflussverhinderer einzusetzen, so dass nur in dem betrachteten Teilnetz der beiden ausgewählten Pumpen eine Fluidförderung erfolgt.
Aus der Drehzahl πRV und der bekannten Kennlinie der Pumpe kann der öffnungsdruck des Rückflussverhinderers berechnet werden. Dieser kann ggfs. für jeden Endzweig einzeln bestimmt und in der Berechnung der Rohrnetzwiderstände durch Subtraktion berücksichtigt werden.
Besonders vorteilhaft im Sinne der Erfindung ist die Verwendung von Rückflussverhinderern ohne Federbelastung, bei denen der öffnungdruck vernachlässigbar klein ist. Hierbei kann es sich beispielsweise um handelsübliche federbelastete Rückflussverhinderer handeln, bei denen die Feder entfernt wurde,
oder aber auch um ein von der Pumpe mittels der Flüssigkeit bewegtes Absperrelement in der Rohrleitung, beispielsweise einen Kolben oder eine Kugel in einer entsprechenden Aufnahme.
Das Verfahren kann ebenso genutzt werden, Rohre mit besonders hohem Leitungswiderstand ausfindig zu machen, wie er z.B. durch Verschmutzung der Rohre entstehen kann. Hierdurch können z.B. Sanierungsmaßnahmen eingegrenzt werden.
Hierbei macht sich die Erfindung weiterhin zunutze, dass ein Rohrnetz bzw. ein ausgewählter Teilbereich eines Rohrnetzes grundsätzlich durch die dem Fachmann bekannten physikalischen Zusammenhänge, wie z.B. Rohrnetzgleichungen oder andere Gleichungen charakterisiert ist. So können anhand dieser physikalischen Zusammenhänge z.B. der Druckabfall im gemeinsam genutzten Rohrnetzabschnitt zweier Pumpen, der Druckabfall in den jeweiligen Endzweigen der betrachteten Pumpen und der Druckabfall über einer Pumpe in Relation zueinander gesetzt werden.
Hierbei versteht der Fachmann den Druckabfall auch als so genannte Förderhöhe, insbesondere im Zusammenhang mit Kreiselpumpen. Man kann somit für jede Paarung von zwei miteinander kombinierten Pumpen ein Gleichungssystem aufstellen mit einer Vielzahl von Variablen, welches jedoch ohne festgesetzte Randbedingungen nicht gelöst werden kann.
Demnach sieht es die Erfindung gemäß dem vorbeschriebenen Verfahren vor, die nötigen Randbedingungen, die zur Lösung der Gleichungssysteme hinsichtlich der gewünschten Größen, d.h. der jeweiligen oben genannten Widerstände (Endzweige, gemeinsame Abschnitte) führen, vorzugeben. Z.B. kann dies dadurch erfolgen, dass die Pumpenkennlinien der Pumpen bekannt sind, beispielsweise als funktionaler Zusammenhang H (Q, n) = a x n 2 - b x n x Q - c x Q 2 . Hierbei gibt H(Q, n) die Förderhöhe, also die Druckdifferenz über der Pumpe an in Abhängigkeit des Förderstromes Q und der Drehzahl n der Pumpe, a, b und c sind
dabei für eine bestimmte Pumpe bekannte Konstanten. Alternativ könnte die Bestimmung der Förderhöhe mittels eines Differenzdrucksensors erfolgen.
Weiterhin kann die Anzahl der Variablen in den Gleichungen der jeweiligen betrachteten physikalischen Zusammenhänge, also z.B. den Rohrnetzgleichungen reduziert werden, nämlich erfindungsgemäß dadurch, dass für jedes Paar von Pumpen jeweils wenigstens ein Paar, insbesondere mehrere Paare von ausgewählten Betriebszuständen bei den Pumpen nacheinander eingestellt wird bzw. werden. Bei einem solchen Paar von Betriebszuständen wird der erste Betriebszustand der ersten Pumpe des Pumpenpaares zugeordnet und der zweite Betriebszustand der zweiten Pumpe des Pumpenpaares.
Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass bestimmte gewünschte Drehzahlen an den Pumpen eingestellt werden und/oder bestimmte Förderströme oder sonstige Größen. Hierbei kann es wiederum erfindungsgemäß vorgesehen sein, den Gesamtvolumenstrom im Rohrnetz oder aber die Teilvolumenströme in den Endzweigen zu bestimmen, wobei sich unmittelbar der Gesamtvolumenstrom aus der Summe der Teilvolumenströme ergibt. Die Volumenströme können dabei z.B. mittels Sensoren gemessen oder z.B. wie auch andere hydraulische Größen auch aus elektrischen Größen der Pumpen bestimmt werden. Derartige Pumpen, bei denen hydraulische Größen aus den elektrischen Größen bestimmt werden können, werden auch als beobachtbare Pumpen bezeichnet.
Somit können durch die Betrachtung jeweils von Paaren von Pumpen die physikalischen Zusammenhänge, insbesondere die Rohrnetzgleichungen des entstehenden Gleichungssystems, gelöst werden hinsichtlich der gewünschten Größe durch die Vorgabe einer genügenden Anzahl von Randbedingungen, z.B. anhand der vorgenannten Kriterien.
Aus den jeweils betrachteten Gleichungen der bekannten physikalischen Zusammenhänge kann sodann sowohl der Leitungswiderstand Ku des von den beiden betrachteten Pumpen Pi und Pj des ausgewählten Pumpenpaares
gemeinsam genutzten Rohrabschnitts sowie auch jeweils der Endzweigwiderstand Ru des ausschließlich nur von der Pumpe P| genutzten Endzweiges (bezogen auf das gerade betrachtete Teilnetz mit der Pumpe Pj) berechnet werden, so dass man anhand der Durchführung dieses Vorgehens für eine Vielzahl von möglichen Pumpenpaaren, gegebenenfalls für alle möglichen Pumpenpaare, sämtliche vorgenannten Widerstandswerte, bezogen auf die jeweilige Paarkonstellation, ermitteln kann.
Die so ermittelten Widerstandswerte Ry und Ky, die sich bei Betrachtung einer jeweiligen Paarung von zwei Pumpen Pi und Pj ergeben, können sodann als eine Matrix im mathematischen Sinne mit einer Anzahl von N Spalten und N Zeilen aufgefasst werden, wobei N die Anzahl der im untersuchten Rohrnetz befindlichen Pumpen ist. Diese Matrix kann anschließend einer weiteren Untersuchung unterzogen werden, um zur vollständigen Analyse des Rohrnetzes zu kommen.
Hierbei ist es insbesondere für die weitere Beschreibung des Verfahrens für den Fachmann ersichtlich, dass es zur Durchführung des Verfahrens nicht darauf ankommt, eine tatsächliche Matrixanordnung bei der Durchführung oder für die Durchführung des Verfahrens zu schaffen, also beispielsweise durch eine softwareseitige Umsetzung des Verfahrens auf einem Rechnersystem, sondern lediglich, dass in einem Rechnersystem, welches beispielsweise softwaregestützt die Analyse durchführt, die jeweiligen vorgenannten Widerstandswerte Ru und Ku abgespeichert sind, wobei es nicht darauf ankommt, dass diese auch in ihrer physikalischen Anordnung das jeweilige durch die Indizes I und J gegebene zweidimensionale Feld (Matrix) bilden. Wird also weiterhin in dieser Erfindungsbeschreibung von einer Matrix gesprochen, so bedeutet dies nicht zwingend die mathematische oder physikalische Anordnung der Widerstandswerte, sondern lediglich die logische Konstellation der Widerstandswerte zueinander, unabhängig davon wie die Werte technisch gehandhabt werden, also z.B. wie und wo sie gespeichert sind.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich besonders bevorzugt dadurch aus, dass nunmehr nach Erhalt der Vielzahl von Widerstandswerten Ru aus allen diesen Werten und insbesondere anschaulich aus der durch diese Werte gebildeten Matrix Ru zu jeder Pumpe Pi der Endzweigwiderstand (z.B. als Ri bezeichnet) bezüglich aller Pumpen des gesamten Rohrsystems ermittelt werden kann durch Suche des Minimums in der Spalte I der Matrix Ru, also durch Suche des Minimums in den Werten Ru bei einem festen I für alle möglichen J. Somit ist anhand dieser Beziehung aus der ermittelten Matrix bzw. aus sämtlichen Werten Ru, die im Rahmen der Berechnung anhand des oben genannten Verfahrens ermittelt wurden, sofortig der Endzweigwiderstand bekannt, der unmittelbar nur der jeweils betrachteten Pumpe zugeordnet ist und durch den somit nur diese eine Pumpe Fluid fördert, jedoch keine andere.
Aus der ermittelten Matrix Ku, d.h. allen berechneten Werten K u zu den gewählten Pumpenpaaren kann der für alle Pumpen gemeinsame Rohrnetzwiderstand, d.h. der Widerstand des von allen Pumpen gemeinsamen Rohrnetzabschnittes, ermittelt werden durch Suche des Minimums aus allen Matrixeinträgen, bzw. des Minimums in allen Werten Ku. Dieser Minimum-Wert kann z.B. als R 9 bezeichnet werden.
Nach Erhalt dieses Minimums (R 9 ) kann dieses in einer weiteren vorteilhaften Ausbildung des Verfahrens von allen Matrixeinträgen, bzw. von allen Werten Ku subtrahiert werden, so dass hierdurch zu jeder betrachteten Pumpe Pi diejenigen Pumpen Pj bestimmt werden können, die mit der betrachteten Pumpe P| in einem Teilnetz angeordnet sind, die also durch gemeinsame Rohrabschnitte des Netzes fördern. Dies kann dadurch erfolgen, dass nach der Subtraktion des Minimums R 9 diejenigen Matrixeinträge in den Zeilen J aufgesucht werden, die zu einer Spalte I einen Eintrag außerhalb eines vorgegebenen Werteintervalls aufweisen oder anders ausgedrückt dadurch dass alle diejenigen Werte Ku (für alle J) gesucht werden, die für ein festes I einen Wert außerhalb eines vorgegebenen Werteintervalls aufweisen. Werden solche Werte bei einem festen I bei einem
bestimmten J gefunden, so erschließt sich hieraus dass die Pumpe Pi mit der Pumpe Pj in einem Teilnetz angeordnet ist.
Betrachtet man den physikalischen Zusammenhang rein ideal mathematisch, so müssten all diejenigen Pumpenpaarungen miteinander in einem Teilnetz angeordnet sein, bei denen der jeweilige Matrixeintrag nach der Subtraktion des Minimums einen Wert ungleich 0 aufweist. Hierbei ergibt sich jedoch die Problematik, dass die Matrixeinträge, also die Werte Ku im Rahmen einer Berechnung und/oder zumindest teilweisen Messung aufgrund physikalisch vorgegebener und mitunter fehlerbehafteter Randbedingungen oder mit Meßtoleranzen, wie beispielsweise anhand Drehzahl, Gesamt- oder Teilvolumenströme ermittelt werden. Somit werden selbst bei gleichen eingestellten Bedingungen nicht immer gleiche Ergebnisse erhalten, was dazu führen kann, dass nach der Subtraktion des aufgefundenen absoluten Minimums Werte in den Matrizenzellen verbleiben, die ideal-mathematisch 0 sein müssten, jedoch aufgrund der physikalischen Fehlerbehaftung oder der Toleranzen der Messwerte nicht den Wert 0 erreichen.
Insofern ist es bevorzugt erfindungsgemäß vorgesehen, nicht die Abweichung von 0 im mathematischen Sinne als Kriterium heranzuziehen, um die Teilnetze aufzufinden, sondern als Kriterium heranzuziehen, dass ein Eintrag in einer Matrixzelle einen Wert außerhalb eines vorgegebenen Werteintervalls aufweist, wobei eine derartige Vorgabe benutzerseitig vorgesehen sein kann, beispielsweise anhand bekannter Messungenauigkeiten oder Fehlertoleranzen und somit zu erwartender Streuung der Ergebnisse.
Werden nach der erstmaligen Subtraktion eines Minimums nunmehr nur noch Matrixeinträge betrachtet, die die Abweichung von dem vorgenannten Werteintervall aufweisen, so lassen sich hierdurch Teilnetze identifizieren, wonach für jedes identifizierte Teilnetz im Wesentlichen dasselbe erfindungsgemäße Verfahren erneut angewandt wird.
Es können nun durch Subtraktion des Minimums von allen Matrixeinträgen eines aufgefundenen Teilnetzes zu jeder Pumpe Pi des Teilnetzes diejenigen Pumpen Pj bestimmt werden, die mit der betrachteten Pumpe P/ wiederum in einem Teilnetz angeordnet sind. Hierzu können wiederum diejenigen Matrixeinträge in den Zeilen J aufgesucht werden, die zu einer Spalte I einen Eintrag außerhalb des vorgegebenen Werteintervalls aufweisen, wobei in diesem Fall nur das Minimum des betrachteten Teilnetzes von den Matrixeinträgen des Teilnetzes subtrahiert wurde. Das aufgefundene Minimum selbst gibt dabei wieder den Widerstandswert desjenigen Rohrabschnittes an, der von allen Pumpen des betrachteten Teilnetzes mit Fluid versorgt wird.
Dieses Verfahren lässt sich dabei iterativ soweit fortführen, bis keine weiteren Teilnetze mehr identifiziert werden können und somit auch die Widerstandwerte aller möglichen Rohrabschnitte des untersuchten Gesamtnetzes bekannt sind.
Für das erfindungsgemäße Verfahren ist der Gesamtvolumenstrom bzw. die Teilvolumenströme im Rohrnetz als wesentliche Randgröße genannt worden, um die Variablen in den zu lösenden Gleichungen zu reduzieren und zu einer Auflösung des jeweiligen betrachteten Gleichungssystems kommen zu können.
Es kann hierbei vorgesehen sein, dass der Gesamtvolumenstrom im Rohrnetz bestimmt wird durch einen zentralen Sensor, der in bekannter Weise innerhalb eines Rohrnetzes eingesetzt werden kann. Alternativ kann es ebenso vorgesehen sein, dass eine zentrale Pumpe hinsichtlich ihrer elektrischen Größen beobachtet wird, da es für den Fachmann bekannt ist, aus den elektrischen Größen einer beobachtbaren Pumpe die hydraulischen Größen dieser Pumpe zu ermitteln, insbesondere den Förderstrom und/oder die Förderhöhe. Alternativ kann es vorgesehen sein, den Durchfluss zentral oder dezentral indirekt über die Messung des Differenzdrucks zu bestimmen.
In gleicher weise kann es auch vorgesehen sein, dass Teilvolumenströme in den Endzweigen bestimmt werden durch dezentrale Sensoren oder aber dezentral
beobachtbare Pumpen, bei denen wiederum anhand der ermittelten elektrischen Größen auf den jeweiligen Teilvolumenstrom geschlossen werden kann. Der Gesamtvolumenstrom ergäbe sich somit durch die Summe der jeweiligen Teilvolumenströme.
Alternativ kann es vorgesehen sein, eine der soeben beschriebenen Möglichkeiten, den Durchfluss zu bestimmen, dezentral einzusetzen in dem Sinne, dass der Durchfluss an ausgewählten Verzweigungspunkten bestimmt wird, d.h. jeweils für mehrere Teilnetze, bei denen es sich nicht zwingend um die Endzweige handelt.
Es kann weiterhin verfahrensgemäß vorgesehen sein, dass anhand einer Analyse ausgewählter Paare von Pumpen die in der Folge verwendeten Paare von Pumpen auf die zur Erlangung des Ergebnisses erforderlichen Paare eingeschränkt werden oder zumindest ausgewählte Paare von Pumpen bei dem weiteren Verfahren nicht vermessen werden, für die aufgrund der Ergebnisse der vorherigen, insbesondere ersten Analyse kein weiterer Erkenntnisgewinn bzgl. des Rohrnetzes zu erwarten ist. Es müssen somit nicht zwingend alle möglichen Pumpenpaarungen auch tatsächlich ausgemessen werden.
Ein Ausführungsbeispiel ist anhand der nachfolgenden Figuren erläutert. Es zeigen:
Figur 1 ein konkretes zu analysierendes Rohrnetz mit mehreren dezentralen
Pumpen und einer Vielzahl von Rohrnetzabschnitten, denen entsprechende Widerstände R bzw. L zugeordnet sind
Figur 2 dieselbe Darstellung des Rohrnetzes nach Figur 1 nach einer durchgeführten Rohrnetzanalyse, durch die sich Widerstände gemeinsamer Rohrleitungsabschnitte und Endzweigwiderstände und somit die Aufzweigungen des Rohrnetzes ergeben
Figur 3 die vereinfachte zu betrachtende Topologie eines Teilbereichs des Gesamtnetzes bei Berücksichtigung von nur zwei Pumpen
Figuren 4 Die Druckverhältnisse im H-Q-Diagramm
Figur 5 die Matrix der Widerstandswerte Ru, d.h. der Endzweigwiderstände
Figur 6 die Matrix der Widerstände der von zwei betrachteten Pumpen gemeinsam genutzten Rohrnetzabschnitte
Die Figur 1 zeigt als ein Beispiel ein zu analysierendes Rohrnetz anhand dessen das erfindungsgemäße Verfahren erläutert werden kann. Das Rohrnetz umfasst eine Vielzahl von Pumpen P 1 sowie Rohrabschnitte durch die nur von jeweils einer Pumpe allein Fluid gefördert wird, wobei diese Rohrabschnitte einen Endzweigwiderstand R haben und Rohrabschnitte, durch die von mehreren Pumpen gefördert wird und die einen Widerstand L haben.
Die Figur 2 zeigt dasselbe Rohrnetz in einer anderen Darstellung, wobei diese Darstellung unmittelbar aus der Analyse des Rohrnetzes hergeleitet werden kann. Hierbei kann das Verfahren sukzessive die in der Abbildung von links nach rechts dargestellten Rohrstücke und Verzweigungen liefern. In einem ersten Schritt kann für das Beispielnetz aus Figur 1 die Rohrleitung mit dem Widerstand 1 bestimmt werden. In einem zweiten Schritt kann die Verzweigung in zwei Teilnetze sowie die Widerstandswerte der Zuleitungen berechnet werden, die in diesem konkreten Beispiel beide den Widerstandswert l_ 2 haben, usw.
Zur Durchführung des Verfahrens zur Bestimmung der Leitungswiderstände wird ein Pumpenpaar herausgegriffen und separiert als ein Ausschnitt des Gesamtnetzes betrachtet. Dieser Ausschnitt kann dargestellt werden, wie es die Figur 3 zeigt. Die Druckverhältnisse, die in diesem System herrschen, beschreibt die Figur 4. Die Pumpenkennlinien gelten in dieser Ausführung als bekannt.
Hierbei gilt, dass sich der von einer Pumpe aufzubringende Druck zusammensetzt aus dem Druckabfall im gemeinsam genutzten Rohrnetzabschnitt R g (Qi+Q 2 ) 2 und dem Druckabfall in dem jeweiligen Endzweig, in dem sich die jeweilige Pumpe befindet R-ι ,2 Qi ,2 2 . Je nach Vorhandensein unterschiedlicher Komponenten zur Bestimmung der Volumenströme und/oder Differenzdrücke sind verschiedene
Ausführungen zur Durchführung des Verfahrens möglich. Mittels des Verfahrens werden die Widerstände Ri und R 2 , sowie R 9 gesucht.
In einer Ausführungsvariante kann das Verfahren wie folgt angewendet werden: Es wird ein einziges Paar von Betriebszuständen eingestellt, bei dem eine Pumpe Pi mit bekannter Drehzahl läuft und eine Pumpe Pj durch Zuschaltung auf diejenige Drehzahl eingestellt wird, ab der die zugeschaltete Pumpe Pj zum Gesamtvolumenstrom oder zu einem Teilvolumenstrom beiträgt. Exemplarisch soll es sich um die Pumpen P1 und P2 aus der Figur 3 handeln.
Zur Bestimmung von R 1 und R 9 wird somit die Pumpe P 1 mit einer festen bekannten Drehzahl, z.B. der maximalen Drehzahl n-i betrieben, so dass sich ein messbarer Durchfluss Q 1 ergibt, der bestimmt werden kann, z.B. mittels Durchflusssensor. Alle anderen Pumpe sind ausgeschaltet, d.h. der Gesamtvolumenstrom Q 9 im betrachteten Teilnetz ist gleich Q 1 .
Für die Pumpe P 2 wird die Drehzahl n 2l o bestimmt, ab der die Pumpe zum Gesamtvolumenstrom Q 9 beiträgt. D.h. für Drehzahlen größer als n 2| o ist der von der Pumpe P 2 geförderte Volumenstrom größer als Null. Diese Drehzahl n 2 0 kann als Nullförderdrehzahl der Pumpe P 2 bezeichnet werden. Beispielsweise kann sie bestimmt werden durch Messung des Gesamtvolumenstromes Q 9 in Abhängigkeit der Drehzahl n 2 . Die Nullförderdrehzahl ist erreicht, wenn die Pumpe P 2 anfängt zum Gesamtvolumenstrom beizutragen.
In dem so gewählten Betriebspunkt ist der von der Pumpe P 2 aufgebaute Druck Hp 2 gleich dem Druckverlust H 9 des gemeinsam genutzten Rohrnetzabschnittes, also gleich Hp 2 = H 9 = R 9 Q 9 2 . Diesen Zusammenhang verdeutlich die Figur 4a.
Dieser Druckverlust ist bekannt, da die Drehzahl, die Kennlinie und der Förderstrom (Q 2 =0) der Pumpe P 2 bekannt ist. Es gilt H P2 (n 2 , 0 , Q 2 =O) = R 9 Q 9 2 .
Damit ist dann der Widerstand des von den beiden Pumpen P-i und P 2 gemeinsam genutzten Rohrabschnittes bekannt. Er ergibt sich zu: R 9 = H P2 (n 2 , 0 , Q 2 =O) / Q 9 2 . Er setzt sich aus bekannten, gemessenen oder berechneten Größen zusammen.
Im Sinne des allgemeinen Beschreibungsteils handelt es sich bei dem hier ermittelten Wert R 9
um den Wert K 12
der Matrix der Widerstände der gemeinsam genutzten Endzweige zu den Pumpen 1 und 2. Bezogen auf das Rohmetzbeispiel in der Figur 1 bzw. der Figur 2 hat dieser Widerstand bzw. Matrixeintrag Ki 2
den
Der von der Pumpe P 1 aufgebaute Druck ist gegeben durch H P i=R-|Qi 2 + R 9 Q 9 2 , wobei bei dieser Ausführungsvariante der Gesamtvolumenstrom Q 9 durch die Pumpe Pi fließt, da die zweite Pumpe auf die Nullförderdrehzahl eingestellt wurde, so dass gilt Q 9 =Qi. Unter Berücksichtigung des obigen Ergebnisses für R 9 ergibt sich durch Substitution in die Gleichung H P i=R-ιQi 2 + R 9 Q 9 2 , dass Ri = (Hpi(n-ι,Q g ) - H P2 (n 2 ,o , Q 2 =O) ) / Q 9 2 .
Somit ist auch der Widerstand Ri des Endzweiges bekannt, der nur von der Pumpe P 1 mit Fluid versorgt wird, da er sich ebenso auf bekannte berechnete und/oder bestimmte Größen zurückführen lässt anhand der gewählten Randbedingungen.
Der Wert R-i entspricht bzgl. des allgemeinen Beschreibungsteils dem Widerstandswert R 12, d.h. dem Endzweigwiderstand der Pumpe Pi, die im Teilnetz mit der Pumpe P 2 steht. Bezogen auf das Beispiel der Figuren 1 und 2 ist dieser Widerstandwert R 12 gleich Ri .
Der Wert R 2 = R 21 kann hier durch Tausch der Pumpenrollen ermittelt werden.
Unter der Voraussetzung, dass der gemeinsam genutzte Leitungswiderstand bekannt ist, z.B. durch die vorgenannte Bestimmung, kann der Widerstand eines Endzweiges alternativ auch wie folgt ermittelt werden, wobei die Zusammenhänge graphisch durch die Figur 4b verdeutlicht werden:
Zunächst wird wie oben beschrieben die Nullförderdrehzahl n 2 0 für die zweite Pumpe eingestellt. Der Gesamtvolumenstrom Q 9 oder die Summe der Teilvolumenströme wird gemessen und festgehalten. Die Drehzahl der zweiten Pumpe wird auf n 2 erhöht und es erhöht sich dadurch der Gesamtvolumenstrom
auf den Wert Q 9 . Gleichzeitig nimmt der Druckverlust im gemeinsam genutzten Rohrnetz zu um den Betrag δH. Der von der Pumpe 1 zu erbringende Druck ist dann gegeben durch H P i = H P i + δH = H P1 + R 9 ( Q 9 2 - Q 9 2 ). Anhand der Pumpenkennlinie der ersten Pumpe kann der neue Förderstrom Qi bestimmt werden. Da der Gesamtvolumenstrom gleich der Summe aller Zweigströme ist, folgen hieraus auch Q 2 = Q 9 - Qi und unter der Verwendung der Pumpenkennlinie auch H P2 . Andererseits ist der von der Pumpe 2 aufzubringende Differenzdruck gegeben durch H P2 = R 2 Q 2 2 + R 9 Q 9 2 . Hieraus folgt dann R 2 = (H P2 ' - R 9 Q 9 '2 ) / Q 2 '2 .
Somit ist auf diese alternative Weise ebenfalls R 2 = R 2 i bestimmt.
Es können die verfahrensgemäß bestimmten Widerstandswerte R 12 , R 2 i , und Ki 2 bzw. K 2 i in eine Matrix eingetragen werden. Dabei gilt, dass Ki 2 = K 2 i, da der gemeinsame Rohrabschnitt gleich ist, unabhängig ob man Pumpe 1 in Kombination mit Pumpe 2 betrachtet oder umgekehrt.
Die Figuren 5 und 6 zeigen die Matrizen Rg und Ku für die möglichen Pumpenpaarungen des Beispiels aus den Figuren 1 und 2. Die oben berechneten Werte finden sich an den entsprechenden Matrixzellen wieder.
Das erfindungsgemäße Verfahren, wie gerade beschrieben kann für weitere Pumpenpaare durchgeführt werden, bis die Matrizen vollständig gefüllt sind. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass in den Figuren 5 und 6 die mathematisch theoretischen Werte in Form der Widerstandsvariablen der Figuren 1 und 2 dargestellt sind. Bei Durchführung des Verfahrens an einem realen Rohrnetz würden hier berechnete reale Zahlen stehen.
Es ist nun ersichtlich, dass sich bezogen auf das exemplarische Rohrnetz der Figur 1 bzw. Figur 2 der Widerstand des Endzweiges zu jeder betrachteten Pumpe I ermitteln lässt durch Suche des Minimums in der Matrixspalte I. Die Pumpe 1 hat somit im Endzweig den Widerstand R1 , die Pumpe 2 den Widerstand R2 und so fort. Bei real berechneten Matrixeinträgen Hessen sich so die realen Widerstände herausfinden.
Der Widerstand R 9 des von allen Pumpen gemeinsam genutzten Rohrabschnittes kann ermittelt werden durch Suche des absoluten Minimums unter allen Matrixeintragen der Matrix Ku. Hier ist in der Figur 6 erkennbar, dass der Wert R 9 den minimalen Wert bildet.
Wird nun dieser absolut minimale Wert R 9 von allen Matrixeinträgen, außer denen, bei denen I=J ist, subtrahiert, so lassen sich alle diejenigen Pumpen ermitteln, die miteinander noch in einem Teilnetz angeordnet sind. Diese Pumpen lassen sich dadurch identifizieren, dass der Matrixeintrag Ku der durch die Subtraktion erhaltenen neuen Matrix einen Wert ungleich Null aufweist, bezogen auf dieses theoretisch mathematische Modell. Vorangehend wurde erwähnt, dass bei realen Berechnungswerten vorzugsweise überprüft wird, ob ein Matrixeintrag ausserhalb eines vorgegebenen Werteintervalls liegt.
Würde man also hier von der Matrix der Figur 6 den Wert R 9 von allen Matrixeinträgen abziehen, so wäre erkennbar, dass die Pumpe 1 noch mit den Pumpen 2 und 3 in einem Teilnetz angeordnet ist, ebenso wie konsequenter Weise die Pumpe 2 mit Pumpe 1 und 3 und die Pumpe 3 mit den Pumpen 1 und 2.
Gleichsam ist hier erkennbar, dass die Pumpe 4 noch mit den Pumpen 5,6,7 und 8 in einem Teilnetz angeordnet ist. Es ergeben sich hier also Teilnetzmatrizen Ku für I 1 J = 1 bis 3 und für I 1 J = 4 bis 8. Diese Teilmatrizen können demselben Verfahren unterzogen werden, d.h. es wird jetzt nur in den Teilmatrizen das jeweilige Minimum gesucht, welches hier bzgl. beider Teilnetze durch L 2 gegeben ist. Dieses wird sodann wieder Subtrahiert und so fort, bis dass alle Teilnetze ausgewertet sind und es keine Teilnetze mehr gibt. Es sind sodann auch alle einzelnen Widerstände des in den Figuren 1 und 2 vorkommenden Rohrnetzabschnitte ermittelt und können z.B. gespeichert werden für spätere Anwendungen, wie z.B. Steuerungen oder Regelungen.
In diesem Beispiel wurde nur eine Möglichkeit konkret beschrieben um nötige Randbedingungen zu bieten und so die Gleichungssysteme nach den gewünschten Unbekannten aufzulösen. Es gibt jedoch noch beliebig viele andere Möglichkeiten, anhand von Paaren von Betriebszuständen die Variablen in den Gleichungssystemen zu verringern und diese aufzulösen.
Z.B. kann in einer anderen Ausführungsvariante ein erstes Paar von Betriebszuständen eingestellt werden, bei dem eine Pumpe Pi mit bekannter Drehzahl läuft und eine Pumpe Pj ausgeschaltet ist. In einem zweiten Paar von Betriebszuständen läuft eine Pumpe Pj mit bekannter Drehzahl und eine Pumpe Pi ist ausgeschaltet . In einem dritten Paar von Betriebszuständen läuft eine der beiden Pumpen mit bekannter Drehzahl und die andere Pumpe wird auf den gleichen Förderstrom eingestellt.
In einer wiederum anderen Variante kann ein erstes Paar von Betriebszuständen eingestellt werden, bei dem beide Pumpen mit beliebigen ersten Drehzahlen laufen und ein zweites Paar von Betriebszuständen eingestellt werden, bei dem beide Pumpen mit beliebigen zweiten Drehzahlen laufen.
In einer noch anderen Variante kann ein erstes Paar von Betriebszuständen eingestellt werden, bei dem eine Pumpe Pi mit bekannter Drehzahl, insbesondere maximaler Drehzahl läuft und eine Pumpe Pj ausgeschaltet ist und ein zweites Paar von Betriebszuständen eingestellt werden, bei dem eine Pumpe Pj mit bekannter Drehzahl, insbesondere maximaler Drehzahl läuft und eine Pumpe Pi ausgeschaltet ist, und ein drittes Paar von Betriebszuständen eingestellt werden, bei dem beide Pumpen mit bekannten Drehzahlen, insbesondere maximalen Drehzahlen laufen.
Dem Fachmann stehen hier noch beliebig viele andere Möglichkeiten zur Verfügung und die Erfindung ist nicht auf die hier genannten Möglichkeiten beschränkt.