Projekteinblicke zu Abwasserpumpstationen
Die Inhalte werden so aufbereitet, dass Ausgangslage, technische Bearbeitung, verfügbare Bilder, Grafiken und belastbare Daten nachvollziehbar dargestellt werden können.
Betreiber-, Standort- oder sicherheitsrelevante Anlagendetails werden nicht öffentlich genannt.
Objekt: Abwasserpumpstationen Nr. 11 / APS 11
01 Ausgangslage, Untersuchung und Messdaten
Die betrachtete Abwasserpumpstation war seit den 1970er Jahren in Betrieb. Bestand: vier horizontal aufgestellte Abwasserpumpen in Trockenaufstellung, davon zwei Betriebs- und zwei Reservepumpen. Nennpunkt je Aggregat: Q = 800 m³/h, H = 32 m, Motorleistung 160 kW.
Vor der Rekonstruktion wurden Fördermenge, Druckverhältnisse und Leistungsaufnahme mit mobiler Messtechnik unter unserer methodischen Begleitung erfasst. Die anschließende Auswertung der Messdaten durch unsere Fachleute zeigte eine niedrige energetische Effizienz der bestehenden Anlage sowie bei einem Aggregat zeitweise instabile Regelvorgänge mit Rückfluss aus der Druckleitung. Diese Daten bildeten die technische Grundlage für die Bewertung der Anlage und die weitere Auslegung der Rekonstruktionslösung.
Darauf aufbauend umfasste unsere fachliche Beteiligung die technische Auslegung der Rekonstruktionslösung, die Auswahl wesentlicher Anlagenkomponenten, die Abstimmung von Fördertechnik, Armaturen und Steuerung sowie die Begleitung der Bauphasenlösung und der späteren Einbindung vor Ort.
02 Technische Bewertung und Projektlösung
Auf Basis der Messdaten und der technischen Bewertung wurde eine Rekonstruktionslösung mit vertikalen Abwasserpumpen in Trockenaufstellung ausgelegt. Für diese Lösung wurden Rohrleitungsführung, Armaturen und Anforderungen an die Steuerung festgelegt.
Für die Bauphase wurde zusätzlich eine temporäre Förderlösung entwickelt. Sie ermöglichte Arbeiten im Maschinenraum und im Annahmebereich ohne Unterbrechung der Abwasserförderung.
Für den temporären Betrieb wurde eine Pumpengruppe mit zwei selbstansaugenden Pumpen und frequenzgeregelter Steuerung eingesetzt. Die Förderleistung wurde über den Wasserstand geregelt, da während der Rekonstruktion kein regulärer Ausgleichsbetrieb über den vorhandenen Pumpensumpf möglich war.
Kenndaten der ausgelegten Rekonstruktionslösung
Bemessungszuflüsse: Qmax,h: ca. 1.674 m³/h · Qmin,h: ca. 670 m³/h.
Vorgesehenes Pumpenkonzept: 4 vertikale Abwasserpumpen in Trockenaufstellung, frequenzgeregelter Betrieb. Auslegung je Aggregat bei Nennfrequenz: Förderbereich 564–936 m³/h · Förderhöhe 30,85 m · P2 = 115 kW.
03 Rekonstruktion und Betrieb während der Umsetzung
Nach dem Aufbau und der Inbetriebnahme der temporären Förderlösung konnte die Alttechnik im Maschinenraum und im Annahmebereich vollständig demontiert werden. Die selbstansaugenden Gorman-Rupp T10A3S-B förderten dabei wechselweise direkt aus dem Zulaufkollektor und wurden frequenzgeregelt betrieben. Danach wurden die Arbeitsbereiche vorbereitet, die neue Technik montiert und an die bestehenden äußeren Druckleitungen angeschlossen.
Das Abwasser gelangt über den Zulaufkollektor DN 1000 zunächst in zwei Zulaufkanäle der Pumpstation. Dort sind Edelstahl-Penstocks und Franklin Miller DIMMINUTOR DM25-Mazeratoren angeordnet und in das Zulauf- und Betriebskonzept der Station eingebunden. Von den Kanälen fließt das Abwasser in den Annahmebehälter und wird anschließend von den Hauptpumpen in die Druckleitungen gefördert. Die vier vertikalen Trockenaufstellungspumpen S2.110.200.1150.4.70M.D.416.G.N.D mit je 115 kW stehen im Maschinenraum. Je nach Zufluss arbeitet eine oder zwei Pumpen; zwei weitere Aggregate bilden die 100%-Reserve.
Die Messungen vor der Planung zeigten reale Zuflüsse von rund 150 bis 1.200 m³/h; die Auslegung berücksichtigte bis 1.500 m³/h als maximale Stundenförderung. In Abstimmung mit dem Auftraggeber wurden die endgültigen Auslegungsparameter entsprechend gewählt, um den geforderten Förderbereich und eine zusätzliche Förderhöhenreserve bei ungünstigen Randbedingungen des Druckleitungsnetzes sicherzustellen.
Zur Hauptausrüstung gehörten Grundfos-Drainagepumpen, VAG-Messerschieber mit AUMA-Antrieben, Rückschlagklappen und VAG-Be-/Entlüftungsventile, Schneider-Electric-Schaltanlagen sowie Automatisierungs- und Leittechnik mit Siemens-Komponenten. Die Betriebsparameter wurden bei den abschließenden Einstell- und Inbetriebnahmearbeiten festgelegt.
04 Einstellungen, geregelter Betrieb und Ergebnis
Nach der Montage und dem ersten Betrieb der Anlage wurden die realen Betriebsbedingungen überprüft: Wasserstände im Annahmebehälter, Pumpenlage, statische Förderhöhe und Widerstandsverhalten der Druckleitung. Auf dieser Grundlage wurden die Arbeitspunkte der Pumpen bei unterschiedlichen Wasserständen und Drehfrequenzen modelliert.
*) Arbeitspunkt aus Pumpenkennlinie und Kennlinie des Druckrohrleitungsnetzes.
**) Kavitationsreserve = ΔH + Höhendifferenz zwischen Wasserstand und Pumpenachse, jeweils mit Vorzeichen.
Auf Grundlage der Modellierung wurde für die automatische Steuerung je Pumpe ein Frequenzbereich von 38,0 bis 42,0 Hz festgelegt. Diese Grenzen stellen die erforderliche Fördermenge und einen stabilen Betrieb der Rückschlagklappen sicher; zugleich bleibt die Pumpe innerhalb des zulässigen Kennlinienbereichs und mit ausreichender Kavitationsreserve.
Energetische Einordnung
Die installierte Motorleistung je Hauptpumpe wurde von 160 kW auf 115 kW reduziert. Gleichzeitig wurde der Betrieb auf kleinere, frequenzgeregelte Pumpen mit definierter Betriebsstrategie umgestellt.
Für die Pumpenförderung ergab sich daraus ein deutliches Einsparpotenzial. Unter Berücksichtigung der neuen Betriebsweise lag die rechnerische Reduzierung des Energiebedarfs der Fördertechnik in der Größenordnung von über 40 %. Zugleich wurden mit der Rekonstruktion zusätzliche technische Systeme wie Lüftung und Wärmepumpen in die Gesamtanlage integriert.
Was zeigt dieser Projekteinblick?
- Bewertung des Ausgangszustands und der Betriebsprobleme auf Basis von Messdaten
- Projektlösung für die temporäre Förderung während der Rekonstruktion
- Auslegung der neuen Hauptpumpentechnik und der zugehörigen Betriebsweise
- Umsetzung der Rekonstruktion mit Anpassung von Zulauf, Armaturen und Steuerung
- Prüfung der Betriebsgrenzen für einen stabilen und betriebssicheren Betrieb
Weitere technische Lösungen im Projekt
Die Rekonstruktion betraf nicht nur die Hauptpumpen. Auch Nebenanlagen, Zulaufbereich, Wärmeversorgung und Steuerung wurden in das Gesamtkonzept der Station eingebunden.
Heizsystem basierend auf Wärmepumpen
Die Wärmeversorgung der Station wurde mit vier NIBE-Wärmepumpen F1345-60 realisiert, mit einer gesamten Heizleistung von ca. 240 kW.
Die Wärme wurde dem Abwasser im Annahmebehälter über einen Rohrkreis mit zirkulierendem Wärmeträger entzogen.
Die erzeugte Wärme wurde für die Beheizung der Station sowie zur Temperierung der Zuluft der Lüftungsanlage genutzt.
Zerkleinerung im Zulaufbereich
In jedem der beiden Zulaufkanäle wurde ein Franklin Miller DIMMINUTOR DM25 installiert. Das Modell deckt einen Durchflussbereich von 210 bis 1.500 m³/h ab.
Edelstahl-Penstocks vor und nach jedem Zerkleinerer ermöglichen die Absperrung des Kanalabschnitts für Betrieb und Wartung.
Die Zerkleinerer reduzieren grobe und faserige Bestandteile im Abwasser und schützen die nachfolgende Fördertechnik.
Kavitationsreserve und NPSHr
Jedem Wasserstand im Annahmebehälter entspricht ein Arbeitspunkt am Schnittpunkt von Pumpenkennlinie und Kennlinie des Druckrohrleitungsnetzes. Dieser Punkt bestimmt Förderhöhe H und Fördermenge Q; aus Q wird der zugehörige NPSHr-Wert der Pumpe bestimmt.
Der berechnete Wert ΔH zeigt, ob die Pumpe im jeweiligen Arbeitspunkt im Saugbetrieb arbeiten kann oder ob Zulaufdruck am Pumpeneintritt erforderlich ist. Ein positiver Wert ΔH bedeutet zulässige Saughöhe; ein negativer Wert bedeutet mindestens erforderlichen Zulaufdruck. Zur Prüfung des Kavitationsrisikos wird ΔH mit der tatsächlichen Höhendifferenz zwischen Wasserstand und Pumpenachse abgeglichen. Die Reserve ist die Summe aus ΔH und Höhendifferenz unter Berücksichtigung ihrer Vorzeichen. Ist sie positiv, ist der Betrieb zulässig; ist sie negativ, besteht Kavitationsrisiko.
Bei 50 Hz zeigte die Prüfung für den niedrigsten Wasserstand eine negative Reserve. Bei 42 Hz blieb die Reserve in allen geprüften Wasserständen positiv.
Betriebsbereich, Steuerung und Leittechnik
Die Modellierung zeigte: Bei 50 Hz liegt der Arbeitspunkt am rechten Rand des zulässigen Pumpenbereichs; bei niedrigem Wasserstand entsteht ein Kavitationsrisiko, zugleich ist die Fördermenge deutlich höher als erforderlich. Deshalb wurde die obere Motorfrequenz auf 42 Hz begrenzt. Bei dieser Frequenz wird die erforderliche maximale Fördermenge je Pumpe erreicht und in allen geprüften Wasserständen bleibt eine positive Reserve gegen Kavitation erhalten.
Für die untere Grenze wurde geprüft, ob die Pumpe auch bei reduzierter Motorfrequenz noch ausreichend Förderhöhe aufbaut und der Rückfluss aus der Druckleitung sicher verhindert wird. Bei 35 Hz war der Betrieb nicht ausreichend stabil. Die Mindestfrequenz wurde deshalb rechnerisch und im Probebetrieb überprüft; bei etwa 38 Hz schloss die Rückschlagklappe sicher und ein Rückfluss in den Annahmebehälter trat nicht auf.
Für die automatische Steuerung wurde damit ein Betriebsbereich von etwa 38 bis 42 Hz angesetzt. Diese Begrenzung verbindet die erforderliche Förderleistung mit einem stabilen Betrieb der Rückschlagklappen und einer ausreichenden Reserve gegen Kavitation.
Die festgelegten Frequenzgrenzen wurden in den Automatikbetrieb der Station übernommen. Abhängig vom Wasserstand im Annahmebehälter und von der aktuellen Zuflusssituation wird eine oder werden zwei Hauptpumpen betrieben; die Drehfrequenz wird innerhalb des festgelegten Bereichs automatisch angepasst.
Die Steuerung überwacht und führt außerdem die elektrisch angetriebenen Armaturen sowie die Schieber im Zulaufbereich. Über die Leittechnik werden Betriebszustände, Meldungen und Störungen visualisiert, sodass das Betriebspersonal die Anlage in der Leitwarte überwachen und bei Bedarf eingreifen kann.
Hinweis zur Energieeinordnung
Das relevante Betriebsfeld der neuen Hauptpumpen liegt nach Herstellerkennfeld überwiegend in einem Bereich von rund 69 % Wirkungsgrad für Pumpe, Motor und Frequenzumrichter. Damit liegt die neue Fördertechnik deutlich über dem Wirkungsgradniveau der vor der Rekonstruktion gemessenen Bestandsaggregate.
Die energetische Bewertung bezieht sich hier vor allem auf die Fördertechnik und die Betriebsweise der Pumpen. Der Gesamtstromverbrauch der Station ist nur eingeschränkt direkt vergleichbar, weil nach der Rekonstruktion zusätzliche technische Systeme betrieben wurden, darunter Lüftung und Wärmepumpen. Gleichzeitig entfiel der frühere Elektroheizbetrieb.
In den ersten drei Betriebsmonaten lag die durchschnittliche Reduzierung des Gesamtstromverbrauchs bei rund 39,4 %. Dieser Wert ist als Gesamtwert der Station zu verstehen und nicht als isolierter Nachweis allein für die Pumpentechnik.
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