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Kühlwasserpumpe

Die Kühlwasserpumpe ist eine Pumpe, deren Aufgabe die Versorgung des Wärmetauschers mit Kühlwasser ist. Der Förderstrom richtet sich dabei nach dem abzuführenden Wärmestrom und die erforderliche Förderhöhe wird von der Art des Kühlsystems bestimmt. 

Bei den Kühlverfahren wird zwischen der Nass- und der Trockenkühlung unterschieden. 

Förderhöhen- und Förderstrombereich 

Die geforderten Förderhöhen liegen bei Frischwasserbetrieb meist bei 5 bis 15 m, während sie beim Kühlturmbetrieb von 20 bis zu 35 m ansteigen.
Der Förderstrom ist abhängig vom Kühlverfahren, von der Beschaffenheit des Wärmetauschers und der Information, ob es sich um ein konventionelles oder nukleares Kraftwerk handelt. 

Anhaltswerte des Förderstroms 

  • bei Frischwasserkühlung (siehe Nasskühlung):
    konventionelles Kraftwerk 100 -120 m3/h MW
    nukleares Kraftwerk 140 -160 m3/h MW 
  • bei indirekter Luftkühlung (siehe Trockenkühlung):
    konventionelles Kraftwerk80 -100 m3/h MW
    nukleares Kraftwerk 120 -140 m3/h MW 

Bauformen der Laufräder 

Der verlangte Förderhöhenbereich von 5 bis 35 m wird mit drei Arten von Laufrädern abgedeckt. 

  • Förderhöhenbereich für bestimmte Laufräder 
  • bis 10 m wird meist ein axialer Propeller eingesetzt (spezifische Drehzahl (ns > 150 min-1
  • von 10 bis 25 m können halbaxiale Propeller verwendet werden (100 min-1 < ns < 150 min-1
  • von 10 bis zu 40 m werden Diagonalräder (Schraubenräder) verwendet (70 min-1 < ns < 150 min-1

Natürlich können alle drei Arten auch mehrstufig (siehe mehrstufige Pumpe) eingesetzt werden, wodurch ihr Förderhöhenbereich erweitert werden kann. Die mehrstufige Ausführung ist jedoch in jedem Fall kostenintensiver. Sie wird deshalb nur eingesetzt, wenn die Regelbarkeit des Förderstroms eine bestimmte Pumpenbauart verlangt. 

Bauart der Pumpe 

Als Kühlwasserpumpen werden meistens Rohr- oder Spiralgehäusepumpen mit vertikaler Welle verwendet, die vollständig aus metallischen Werkstoffen gefertigt sind.
siehe Abb. 1 bis 4 Kühlwasserpumpe

Kühlwasserpumpe: Schraubenradpumpe mit Vordrallregler Abb. 1 Kühlwasserpumpe: Schraubenradpumpe mit Vordrallregler

Kühlwasserpumpe: Rohrgehäusepumpe mit halbaxialem Propeller (einstellbar) Abb. 2 Kühlwasserpumpe: Rohrgehäusepumpe mit halbaxialem Propeller (einstellbar)

Kühlwasserpumpe: Rohrgehäusepumpe mit axialem Propeller (einstellbar) Abb. 3 Kühlwasserpumpe: Rohrgehäusepumpe mit axialem Propeller (einstellbar)

Kühlwasserpumpe: Spiralgehäusepumpe mit Schraubenrad Abb. 4 Kühlwasserpumpe: Spiralgehäusepumpe mit Schraubenrad


Seltener werden auch Tauchmotorpumpen eingesetzt, z. B. mit einem Schraubenrad (siehe Laufrad). siehe Abb. 5 Kühlwasserpumpe


Kühlwasserpumpe: Tauchmotorpumpe mit Schraubenrad Abb. 5 Kühlwasserpumpe: Tauchmotorpumpe mit Schraubenrad


Ab DN 1200 bis DN 1400 (siehe Nennweite) bei Spiralgehäusepumpen und ca. DN 2000 bei Rohrgehäusepumpen werden aus wirtschaftlichen Überlegungen heraus auch Betonspiral- oder -rohrgehäuse verwendet. Bei diesen Pumpen besteht die Spirale oder das Rohrgehäuse (siehe Pumpengehäuse) teilweise oder ganz aus Beton. siehe Abb. 6 und 7 Kühlwasserpumpe

Kühlwasserpumpe: Beton-Spiralgehäusepumpe mit Schraubenrad Abb. 6 Kühlwasserpumpe: Beton-Spiralgehäusepumpe mit Schraubenrad Kühlwasserpumpe: Beton-Rohrgehäusepumpe mit verstellbarem Halbaxialpropeller (herausziehbar) Abb. 7 Kühlwasserpumpe: Beton-Rohrgehäusepumpe mit verstellbarem Halbaxialpropeller (herausziehbar)


Bei den Rohrgehäusepumpen gibt es folgende Laufradformen: 

  • Schraubenrad siehe Abb. 1 Kühlwasserpumpe
  • halbaxialer Propeller siehe Abb. 2 Kühlwasserpumpe
  • axialer Propeller siehe Abb. 3 Kühlwasserpumpe

und zwei bei den Spiralgehäusepumpen: 

  • halbaxialer Propeller 
  • Schraubenrad, siehe Abb. 4 Kühlwasserpumpe

Auf Schiffen (siehe Schiffspumpen) werden in Verbindung mit Spiralgehäusen auch zweiströmige Radialräder in die Kühlwasserpumpe (siehe mehrströmige Pumpe) eingesetzt.
siehe Abb. 8 Kühlwasserpumpe

Kühlwasserpumpe: Zweiströmige Ringgehäusepumpe Abb. 8 Kühlwasserpumpe: Zweiströmige Ringgehäusepumpe

Regelung 

In einigen Fällen muss die Kühlwasserpumpe geregelt werden, um auf Veränderungen während des Kühlvorganges zu reagieren. 

Gründe zur Regelung der Kühlwasserpumpe 

  • Anpassung des Förderstroms bei konstanter Förderhöhe an sich ändernde Bedingungen im Wärmetauscher (z. B. Teillast der Turbine) 
  • Anpassung der Förderhöhe bei konstantem Förderstrom, wenn sich die Förderhöhe für die Pumpe ändert wie die saugseitige Spiegelschwankung oder die Umschaltung von Frischwasser- auf Kühlturmbetrieb 
  • wenn bei Ausfall einer Pumpe die restlichen Pumpen zusammen wieder 100 % des Kühlwasserstromes fördern sollen 

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, um die Kühlwasserpumpen zu regeln: 

Drosselverstellung 

  • Bei der Drosselverstellung wird in der Druckleitung (siehe Pumpenanlage) durch Schließen eines Drosselorgans (siehe Armatur) die Förderhöhe der Anlage vergrößert und damit entsprechend der Förderstrom reduziert. 
  • Dieser Regelung sind Grenzen gesetzt, denn durch den Anstieg des Leistungsbedarfs der Pumpe hin zu kleinerem Förderstrom (bei spezifischen Drehzahlen ns > 100 min-1) kann die Leistungsgrenze des Motors erreicht werden. 
  • Darüber hinaus reißt bei einem bestimmten Teillastbetrieb (siehe Betriebsverhalten) die Strömung von der Beschaufelung ab und es kommt zu einem unruhigen Lauf (siehe Laufruhe) der Pumpen, einem für den Dauerbetrieb unbedingt zu vermeidenden Betriebszustand. 
  • Die Drosselverstellung ist von den hier beschriebenen die verlustreichste Regelungsart. Wenn sie angewendet wird, dann nur bei sehr kleinen Einheiten. In neuen modernen Kraftwerken wird keine Drosselverstellung eingesetzt. 

Drehzahlverstellung 

  • Bei der Drehzahlverstellung wird die Drehzahl der Pumpe geändert. Die Förderhöhe, der Förderstrom und der Leistungsbedarf der Pumpe stellen sich dabei nach dem Affinitätsgesetz ein. Je größer aber der geodätische Anteil (HA,0) im Verhältnis zur Anlagenförderhöhe (HA) (siehe Anlagenkennlinie) ist, umso mehr entfernt sich der Betriebspunkt bei Drehzahlminderung von seinem Optimum, sodass er sich zur Teillast verschiebt und damit zur Abreißgrenze der Strömung. siehe Abb. 1 Regelung
  • Die Drehzahl wird entweder über ein im Betrieb schaltbares Überlagerungsgetriebe verändert oder direkt beeinflusst. Häufig werden als Antriebe Drehstrommotoren verwendet, da die Gleichstrommotoren aufgrund der bei Kühlwasserpumpen geforderten großen Leistungen meist nicht eingesetzt werden können. 
  • In jüngster Zeit werden Motoren mit Frequenzumrichter auch für größere Leistungen immer häufiger eingesetzt. 
  • Die elektrische Drehzahlverstellung bei Drehstrommotoren größerer Leistung wird mittels Thyristoren umgesetzt. 

Regelung durch Laufschaufelverstellung 

  • Diese Regelung ist bei Pumpen mit axialem und halbaxialem Propeller möglich. Dabei erfolgt die Verstellung der Laufschaufeln während des Betriebes der Pumpen. 
  • Das Kennfeld solcher Pumpen mit allen möglichen Einstellwinkeln zeigt allgemein Wirkungsgradmuscheln in elliptischer Form, deren Hauptachsen fast horizontal liegen. siehe Abb. 9 Kühlwasserpumpe
  • Diese Art der Regelung ist optimal, wenn bei relativ geringen Förderhöhenschwankungen große Förderstromänderungen bei ungefähr konstantem Wirkungsgrad gefordert werden. 

Kühlwasserpumpe: Typisches Kennfeld einer durch axiale oder halbaxiale Laufschaufelverstellung geregelten Propellerpumpe Abb. 9 Kühlwasserpumpe: Typisches Kennfeld einer durch axiale oder halbaxiale Laufschaufelverstellung geregelten Propellerpumpe (Bild oben: Propellerkopf mit Laufschaufelverstellung)

Vordrallverstellung 

  • Diese Regelung wird bei Pumpen mit Schraubenrad angewendet. Dabei wird die Strömung vor dem Laufrad beeinflusst, indem bei Regelung zu kleinen Förderströmen ein Gleichdrall und zu großen Förderströmen ein Gegendrall erzeugt wird. Dieses geschieht durch ein stehendes Schaufelgitter vor dem Laufrad, das im Anstellwinkel verstellbar ist. siehe Abb. 1 Kühlwasserpumpe
  • Das Kennfeld solcher Pumpen mit allen möglichen Vordrallwinkeln zeigt allgemein Wirkungsgradmuscheln in elliptischer Form. Die Hauptachsen verlaufen (stark vereinfacht) parallel zur Kennlinie der Pumpe und unterscheiden sich damit gegenüber den Muscheln bei Laufschaufelverstellung, die fast horizontal verlaufen. siehe Abb. 10 Kühlwasserpumpe
  • Diese Art der Regelung ist zu bevorzugen, wenn bei starken Förderhöhenschwankungen relativ geringe Förderstromänderungen verlangt und dabei möglichst hohe Pumpenwirkungsgrade gefordert werden.

Kühlwasserpumpe: Typisches Kennfeld einer durch Vordrallverstellung geregelten Schraubenradpumpe Abb. 10 Kühlwasserpumpe: Typisches Kennfeld einer durch Vordrallverstellung geregelten Schraubenradpumpe (Bild oben: Vordrallregler für eine Kühlwasserpumpe)