Verfahren zur Schwingungsvermeidung in Pumpen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vermeidung bzw. Reduzierung von mechani schen Schwingungen während des Betriebs einer Pumpe, insbesondere einer Kreiselpumpe.

Mechanische Schwingungen in Kreiselpumpen führen zu erhöhtem Verschleiß und un erwünschter Geräuschentwicklung im Betrieb. Die Ursachen für Schwingungen können vielfältig sein. Ursächlich können fremderregte Schwingungen, bspw. aufgrund der Rotation des Pumpenlaufrades, oder aber freie Schwingungen aufgrund der Eigenfrequenzen der eingebauten Pumpe sein.

Freie Schwingungen treten besonders bei Feststoffpumpen in Erscheinung. Feststoff pumpen sind Kreiselpumpen zum Transport von Fördermedien mit stark abrasiven Feststoffteilen, zum Beispiel Aufschwemmungen von Schlacke, Kohle oder Erz im Berg bau. Vereinzelt kann das Fördermedium auch Steine oder andere starre Elemente ent halten, die im Pumpenbetrieb beim Auftreffen auf die Pumpenstruktur Stöße erzeugen können, die zu einer Anregung der freien Schwingungen der Pumpe führen. Dieser Ef fekt tritt vermehrt auch bei Pumpen für den Abwasserbereich auf.

Ein besonders ungünstiger Fall liegt vor, wenn die Umlauffrequenz des Laufrades, d. h. die eingestellte Pumpendrehzahl, auf die Eigenfrequenz der eingebauten Pumpe fällt oder einem ganzzahligen Vielfachen der Eigenfrequenz entspricht. In diesem Fall kommt es zu Resonanzschwingungen, d.h. die beiden Schwingungsursachen verstärken sich gegenseitig. Ähnlich problematisch ist es, wenn die eingestellte Umlauffrequenz des Laufrades mit der Rohrleitungsresonanz der Förderanlage zusammenfällt.

Ein solcher Resonanzfall ist exemplarisch in Figur 1 dargestellt. Diese Figur zeigt den Frequenzgang einer betriebsbereit eingebauten Kreiselpumpe. Die Eigenfrequenzen, bei denen das System frei schwingt, haben die Frequenzwerte fi, f2, f3. Der Frequenzgang, d.h. die Lage der Eigenfrequenzen fi , f2, f3 ist abhängig vom konkreten Pumpen aufbau, der gewählten Einbaulage, den verwendeten Materialien sowie verbauten La gern. Ist die mittels des Frequenzumrichters eingestellte Umlauffrequenz des Pumpen rades identisch zu oder beträgt stattdessen ein ganzzahliges Vielfaches einer der dargestellten Eigenfrequenzen fi, f2, f3, so wird das System durch die fremderregte Rotation des Laufrades angeregt und es kommt zu einer verstärkten Resonanzschwingung der Pumpe. Liegt die Umlauffrequenz des Laufrades stattdessen im Bereich einer der hier eingezeichneten Antiresonanzen afi, af2, ist dieser Effekt minimal und es kommt zu keiner oder einer nur sehr kleinen Schwingung.

Die Idee der vorliegenden Anmeldung baut auf der vorstehenden Erkenntnis auf und schlägt ein Verfahren vor, das durch gezielte Maßnahmen während des Pumpenbe triebs die Gefahr für das Auftreten möglicher Schwingungen, insbesondere Resonanzen auf ein Minimum reduziert.

Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausführungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Für die Ausführung des Verfahrens ist der Einsatz eines Frequenzumrichters zur Dreh zahländerung der Pumpe maßgeblich. Es spielt dabei jedoch keine Rolle, ob ein solcher Frequenzumrichter in die Pumpe integriert, am Pumpengehäuse angebaut oder aber separat von der Pumpe installiert ist. Selbiges gilt für die Pumpensteuerung zur Verfah rensausführung, die integraler Bestandteil der Pumpe sein kann, jedoch auch als separate Einheit zur Pumpe, gegebenenfalls in Verbindung mit einem separaten Frequenzumrichter installiert sein kann. Die erfindungsgemäße Lösung der vorliegenden Anmeldung besteht darin, bei einer Pumpe mit Frequenzumrichter durch eine Pumpensteuerung die Drehzahl während des Pumpenbetriebs derart zu variieren, dass mechanische Schwingungen der Pumpe möglichst optimal reduziert werden. Ein weiterer Kernaspekt der Erfindung besteht auch darin, dass die Pumpe ihre vorhandenen Eigenfrequenzen im Betrieb durch geeignete Signalauswertung eigenständig identifiziert um basierend auf dieser Erkenntnis die eingestellte Pumpendrehzahl optimal anpassen zu können.

Die Pumpe benötigt demzufolge nicht bereits vorab erzeugte und in der Pumpe hinterlegte Informationen zu ihrem Frequenzgang, sondern kann diesen stattdessen im Betrieb selbständig ermitteln. Hierfür zeichnet die Pumpe ein Signal während des Pum penbetriebs auf, das einen Pumpenbetriebsparameter charakterisiert, der durch auftre tende mechanische Schwingungen beeinflusst wird. Das aufgezeichnete Signal wird nachfolgend durch die Pumpe auf das Vorliegen etwaiger Schwingungen, insbesondere Resonanzschwingungen untersucht. Im Nachgang wird durch geeignete Drehzahländerung eine solche Schwingung reduziert.

Im aufgezeichneten Signal lassen sich insbesondere Signalschwankungen identifizie ren, die durch mechanische Schwingungen der Pumpe bedingt sind. Durch eine passende Drehzahländerung wird die Amplitude der identifizierten Schwingungsfre- quenz(en) des Signals reduziert. Gemäß vorteilhafter Ausführung des Verfahrens wird daher das Frequenzspektrum des aufgezeichneten Signals betrachtet. Es ist vorteilhaft, wenn das Signal mittels Transformation, insbesondere mittels Fast-Fourier-T ransforma- tion, zunächst in sein Frequenzspektrum transformiert wird, um so die entsprechenden Frequenzwerte und zugehörigen Amplituden auftretender Signalschwingungen zu iden tifizieren.

Als geeignetes Betriebssignal für die Identifizierung etwaiger Schwingungen erweist sich der oder die Motorströme des Pumpenantriebs. Die Stromwerte liegen dem verwendeten Frequenzumrichter ohnehin vor, so dass keine weitere Sensorik benötigt wird. Da sich mechanische Schwingungen des Pumpensystems durch magnetische In duktion auch in den Motorwicklungen des Pumpenantriebs und dementsprechend im Strom des Motors abbilden, wirkt der Motor folglich wie ein effektiver und jederzeit verfügbarer Sensor. Durch entsprechende Stromanalyse können sodann mechanische Schwingungen des Pumpensystems hinreichend genau identifiziert werden. Diese Möglichkeit besteht unabhängig vom verwendeten Motortyp des elektrischen Pumpenan triebs.

Als alternativer oder zusätzlicher Betriebsparameter für die Ermittlung des Frequenzgangs der Pumpe eignet sich bspw. der Pumpendruck, insbesondere der Enddruck der Pumpe. Auch hier bilden sich mechanische Schwingungen im Signalverlauf ab. Der Enddruck der Pumpe kann beispielsweise mittels vorhandenen Drucksensors ermittelt werden und per Signaltransformationen, insbesondere Fast-Fourier-T ransformation in sein Frequenzspektrum transformiert werden.

Für die Signalerfassung muss jedoch nicht zwingend ein passender Sensor bereitgehalten werden. Alternativ kann bspw. mittels Betriebspunktschätzung der vorliegende Pumpendruck rechnerisch bestimmt werden. Ein mögliches Verfahren hierzu ist in der DE102018200651 offenbart, deren Inhalt an dieser Stelle vollumfänglich einbezogen wird.

Gemäß einer möglichen Ausführungsform kann das Verfahren iterativ mit variierender Pumpendrehzahl ausgeführt werden, um beispielsweise diejenige Pumpendrehzahl zu identifizieren, bei der die Amplitude einer identifizierten Schwingung möglichst minimal wird. Die Pumpe analysiert also nach erfolgter Drehzahländerung erneut das Frequenzspektrum des wiederholt aufgezeichneten Signals und prüft, ob die Variation der Drehzahl zu einer Abnahme der entsprechenden Amplitude geführt hat.

Die iterative Ausführung der Verfahrensschritte kann eine willkürlich bzw. zufällige oder aber kontrollierte Drehzahländerung vorsehen. Vergrößert sich die Amplitude bspw., so wird die zwischen zwei Iterationen erfolgte Drehzahländerung rückgängig gemacht, an- dernfalls beibehalten. Denkbar ist es ebenfalls, einen bestimmten Drehzahlbereich voll ständig abzufahren und nachfolgend die Drehzahl mit der geringsten Amplitude für den Pumpenbetrieb einzustellen.

Alternativ ist der Einsatz geeigneter Methoden und Algorithmen zur Identifizierung eines lokalen oder globalen Amplitudenminimums mit zugehöriger Drehzahl. Vorstellbar sind ein Intervallhalbierungsverfahren und/oder ein Optimierungsverfahren, wie bspw. ein Active-Set-Verfahren und/oder Newton-Verfahren, um möglichst schnell die passende Drehzahl zu ermitteln, die zu einem Amplitudenminimum führt. Vorstellbar ist auch ein genetischer Algorithmus, der zwar vergleichsweise langsam ist, dafür jedoch eine Iden tifizierung eines globalen Minimums des Frequenzgangs ermöglicht.

Die Einstellung der Drehzahl bzw. deren Variation während der Verfahrensiterationen hängt auch davon ab, welche Betriebsbedingungen beispielsweise durch den Pumpen betreiber vorgegeben sind. Denkbar ist es beispielsweise, dass der Pumpenbetreiber eine konstante Pumpendrehzahl bzw. nur einen kleinen Toleranzbereich für Drehzahländerungen vorgibt. Während der Verfahrensiterationen erfolgt eine Drehzahlvariation dann nur innerhalb des zuvor definierten Toleranzbereiches. In einem solchen Fall genügt meist eine iterative Verfahrensausführung, bei der alle oder zumindest ein Teil der erlaubten Drehzahlen gefahren werden, um das entsprechende Amplitudenminimum für diesen Bereich zu ermitteln.

Ist hingegen vom Betreiber keine Vorgabe zu einem zulässigen Drehzahlbereich ge macht worden, d.h. es kann stattdessen der volle, technisch mögliche Drehzahlbereich der Pumpe ausgeschöpft werden, ist es zweckmäßig, wenn das Verfahren auf eine der vorgenannten Methoden zur Identifizierung der passenden Drehzahl zurückgreift.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kann das Verfahren jedoch nicht nur zur Reduzierung auftretender Schwingungen dienen, sondern die erfindungsgemäße Ermittlung des Frequenzgangs eignet sich ebenfalls zur Pumpenüberwa chung, um beispielsweise Verschleiß oder etwaige Schäden an der Pumpenmechanik frühzeitig detektieren zu können. Wie bereits vorstehend ausführlich dargelegt wurde, besteht ein Kernaspekt der Erfindung darin, den Frequenzgang der Pumpe zu ermitteln. Dieser hängt im Wesentlichen von der Pumpenkonstruktion, deren Einbaulage, den ver wendeten Materialien sowie verbauter Lagerkomponenten ab. Eine Änderung einer dieser Faktoren, bspw. durch Verschleiß oder Materialschäden, führt zu einer Änderung des Frequenzgangs der Pumpe. Die Pumpe speichert daher vorzugsweise den ermittel ten Frequenzgang und überwacht diesen durch laufende wiederholende Messungen auf Frequenzverschiebungen der identifizierten maßgeblichen Frequenzen. Wird eine solche Frequenzabweichung erkannt, ist dies ein Indiz für eine Verschleißerscheinung o- der einen Pumpenschaden. Die Pumpe kann dann eine entsprechende Warnmeldung erzeugen oder eine geeignete Maßnahme ergreifen.

Durch weitere Untersuchung der Frequenzänderung lässt sich zudem zwischen Verschleiß und Schaden unterscheiden. Üblicherweise führt Verschleiß zu einer schlei chenden Änderung des Frequenzgangs, während ein Pumpenschaden, bspw. Lager schaden oder Laufradbruch eine schlagartige Änderung des Frequenzgangs nach sich zieht. Die Pumpe berücksichtigt daher bei ihrer Auswertung die zeitliche Komponente der detektierten Änderung um zwischen Verschleiß und Schaden zu differenzieren.

Auch der Grad der Änderung kann einbezogen werden.

Neben dem erfindungsgemäßen Verfahren betrifft die vorliegende Erfindung zudem eine Pumpe, bevorzugt eine Kreiselpumpe, besonders bevorzugt eine Abwasser- oder Feststoff- oder Versorgungspumpe, mit internem oder externem Frequenzumrichter und einer internen oder externen Pumpensteuerung zur Durchführung des erfindungsgemä ßen Verfahrens. Dementsprechend ist eine solche Pumpe durch dieselben Vorteile und Eigenschaften gekennzeichnet, wie sie bereits vorstehend anhand des erfindungsgemäßen Verfahrens ausführlich dargelegt wurden. Auf eine wiederholende Beschreibung wird aus diesem Grund verzichtet.

Zudem wird durch die Anmeldung die erfindungsgemäße Verwendung einer Pumpe, insbesondere einer Kreiselpumpe als Abwasserpumpe, Feststoffpumpe oder Versorgungspumpe vorgeschlagen. Das erfindungsgemäße Minimieren von auftretenden me- chanischen Schwingungen ist gerade bei Abwasser oder Feststoffpumpen von beson derer Bedeutung, sodass die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei solchen Pumpentypen weitreichende Vorteile mit sich bringt.

Weitere Vorteile und Eigenschaften der Erfindung sollen nachfolgend anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 : einen möglichen Frequenzgang einer installierten und betriebsbereiten Kreiselpumpe,

Fig. 2: ein Zeitdiagramm eines periodischen Signals und

Fig. 3: das berechnete Frequenzspektrum des Zeitsignals aus Figur 2.

Die Erfindung gemäß der vorliegenden Anmeldung beschreibt ein Verfahren, um uner wünschte Schwingungsverstärkungen im Resonanzfall im Betrieb einer Pumpe, insbe sondere einer Feststoff-, Abwasser oder sonstigen Versorgungspumpe mittels Frequenzumrichter gezielt zu vermeiden. Der Grundstein für die gezielte Vermeidung dieser Resonanzschwingungen ist, dass solche Resonanzfälle zunächst von der Pumpensteuerung erkannt werden müssen, möglichst jedoch ohne die Pumpe mit einer speziellen Sensorik wie Beschleunigungssensoren nachrüsten zu müssen. Es spricht jedoch nichts dagegen, die Pumpe dennoch mit zusätzlichen Sensoren, bspw. Beschleunigungssensoren auszustatten, wodurch die Genauigkeit des Verfahrens gegebenenfalls gesteigert werden kann.

Da die mechanischen Schwingungen eine Folge der Wechselwirkung aus konstruktivem Aufbau und Motorkraft sind, lassen sich diese mechanischen Schwingungen auch als Überlagerung in den Antriebsströmen des Pumpenstroms des Pumpenantriebs er kennen. Da hier die Intensität der einzelnen überlagerten Schwingungen von Interesse ist, erfolgt die Auswertung der Motorströme durch Analyse des Frequenzspektrums des aufgezeichneten Motorsignals, das die Pumpensteuerung durch Ausführung der Fast- Fourier-T ransformation (FFT) erhält. Diese Vorgehensweise lässt sich kurz anhand der Darstellungen der Figuren 2, 3 ver anschaulichen. Figur 2 zeigt ein Zeitdiagramm eines aufgezeichneten Signals, das hier der Einfachheit halber durch eine Überlagerung von drei Sinussignalen mit unterschiedlicher Frequenz generiert wurde. Durch Anwendung der FFT kann das Zeitsignal nun in seine harmonischen Anteile zerlegt werden und es ergibt sich das in Figur 3 dargestellte Frequenzamplitudenspektrum, aus dem sich erwartungsgemäß die einzelnen Frequenzen der Sinussignale herauslesen lassen.

Durch FFT der Motorströme kann die Pumpe demzufolge mechanische Schwingungen erkennen, die sich im aufgezeichneten Motorstrom abbilden. Im nachfolgenden Schritt versucht die Pumpe bzw. die Pumpensteuerung dann, die Pumpendrehzahl so einzustellen, dass die resultierende Umlauffrequenz des Laufrades nicht auf eine Eigenfrequenz der Pumpe bzw. ein Vielfaches einer solchen Eigenfrequenz fällt. Dazu wird die Drehzahl zunächst variiert und in einem weiteren Schritt erneut eine Spektrumsanalyse des aktuell aufgezeichneten Motorstroms bei geänderter Drehzahl durchgeführt. Ist die Amplitude der auftretenden Stromschwingung kleiner geworden, so ist dies ein Indiz da für, dass durch die Drehzahlvariation die mechanische Schwingung erfolgreich reduziert werden konnte. Das Verfahren wird nun iterativ ausgeführt, um einen möglichst kleinen Amplitudenwert der auftretenden Schwankungen im Stromsignal zu erzielen. Das Auffinden der idealen Drehzahl kann prinzipiell nach zwei Szenarien ausgeführt werden:

Szenario 1 : Die erforderliche Umlauffrequenz unterliegt festen Anforderungen.

Gemäß Szenario 1 darf die Umlauffrequenz nur einen bestimmten Wert haben. Dies kann energetische Gründe haben oder aber der Einsatzzweck erfordert eine bestimmte (feste) Drehzahl. In diesem Fall definiert der Pumpenbediener in der Pumpensteuerung einen Toleranzwert, um den die Umlauffrequenz maximal vom Sollwert abweichen darf, so z. B. + 3 Hz. Die Pumpensteuerung variiert dann die Drehzahl innerhalb des erlaubten Toleranzbereichs und findet iterativ diejenige Drehzahl heraus, bei der die Schwin gungsamplitude minimal ist. Oft reichen hier schon sehr geringe Variationen aus, um die Eigenfrequenz des Systems zu verlassen und damit die auftretenden mechanischen Schwingungen zu minimieren. Szenario 2: Es gibt keine besonderen Anforderungen an die Umlauffrequenz.

Wenn es keine prozessseitigen Anforderungen an die Umlauffrequenz gibt, kann die Pumpensteuerung nach Belieben die Pumpendrehzahl ändern. Dies ermöglicht eine gezielte Suche einer Antiresonanz, und die Einstellung der finalen Betriebsdrehzahl der Pumpe auf diese Antiresonanz. Der einfachste Weg (und dadurch der mit geringsten Speicher- und Prozessanforderungen) zur Ermittlung der passenden Drehzahl (Antiresonanz) aus dem verfügbaren Drehzahlbereich basiert auf Bisektion. Schneller und ef fektiver sind mathematische Optimierungsverfahren, wie beispielsweise die„Active-Set Methode“ oder das„Newton-Verfahren“. Ein globales Optimum lässt sich auch mittels eines genetischen Algorithmus zuverlässig bestimmen.

Alternativ oder ergänzend zu den Motorströmen kann auch das Signal des Enddrucks der Pumpe untersucht werden, in dem analog zum Motorstrom auch hier mittels Fast Fourier-T ransformation das Frequenzspektrum analysiert und auf entsprechende Resonanzfrequenzen hin ausgewertet wird. Der Enddruck kann beispielsweise mit einem Drucksensor der Pumpe oder aber mittels Betriebspunktschätzung berechnet werden.

Um die Signalqualität zu erhöhen, können beide Signale (Enddruck und Motorstrom) auch mittels Sensordatenfusion zusammengeführt werden. Ist dies nicht möglich, können Strom- und Drucksignale auch einzeln ausgewertet werden. Für die Sensorfusion können beispielsweise die einzelnen Signalwerte wie oben dargestellt ausgewertet und dann mittels Gewichtung zusammengeführt werden. Vorstellbar ist es ebenso, Fre quenzbereiche zu definieren, in denen die Einzelergebnisse der separat ausgewerteten Signale unterschiedlich gewichtet werden. Bspw. wird das Ergebnis der Auswertung der Motorströme für Frequenzbereiche zwischen 10 und 200 Hz herangezogen, während das Ergebnis der Enddruckauswertung für höhere Frequenzen berücksichtigt wird.

Ein besonderer Vorteil des hier vorgestellten Verfahrens besteht darin, dass die Pumpe selbst ihre Eigenfrequenzen finden kann und daher kein mathematisches Prozessmodell, welches aufwändig zu entwickeln wäre, erforderlich ist. Die Hauptanwendung des hier vorgestellten Verfahrens ist die Vermeidung bzw. Reduzierung von Schwingungen, um Verschleiß und Geräusche während des Pumpenbetriebs zu reduzieren. Darüber hinaus kann das Verfahren aber auch einen Beitrag zur Verschleiß- sowie Schadens überwachung liefern und bei Beschädigungen den Anwender warnen. Verschleißüberwachung

Bei dem vorgestellten Verfahren wird permanent der Frequenzgang der eingebauten Pumpe überwacht. Dieser ist jedoch, wie oben erwähnt, abhängig von der Konstruktion der Pumpe, von der Einbaulage, den Materialien sowie den Lagerungen. Eine Ände rung des Frequenzgangs ist also in jedem Fall ein Flinweis darauf, dass sich eine oder mehrere dieser Größen verändert haben, beispielsweise aufgrund von Verschleiß. Diese Information kann dann für die Verschleißüberwachung eingesetzt werden, beispielsweise auch in Kombination mit der Lösung aus der DE 10 2018 200 651 , auf die an dieser Stelle ausdrücklich Bezug genommen wird. Eine Kombination dieser beiden Vorgehensweisen ermöglicht es, den Verschleißzustand präziser zu bewerten.

Warnung vor Schäden

Im Gegensatz zum Verschleiß, der zu einer sehr langsamen Änderung des Frequenz gangs führt, würde ein Pumpenschaden den Frequenzgang schlagartig und deutlich verändern. Ein Schaden kann, neben vielen anderen, ein Lager- oder Laufradbruch sein. Durch die schnelle Änderung des Frequenzgangs kann die Pumpensteuerung Verschleiß und Schäden sicher separieren und im Falle eines Schadens eine Warnung an den Betreiber ausgeben.