Pipeline-Überwachung Intelligente Leckageüberwachung zur Erkennung und Ortung von Lecks

Autor / Redakteur: Petra Geiss* / Dr. Jörg Kempf

Für eine optimierte Betriebsführung ist es notwendig, Anlagen und Infrastruktur in der Wasser- und Abwasserwirtschaft intelligent zu steuern und zu managen. Hierzu gehört auch die sichere und schnelle Erkennung von Leckagen sowie deren schnelle Ortung. Die Smart-Water-Lösung von Siemens macht’s möglich, wie ein Praxisbeispiel zeigt.

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Sherlock Holmes lässt grüßen: Mit dem Leckage-Erkennungssystem Siwa Leak sind Sie selbst kleinsten Lecks auf der Spur.
Sherlock Holmes lässt grüßen: Mit dem Leckage-Erkennungssystem Siwa Leak sind Sie selbst kleinsten Lecks auf der Spur.
(Bild:© snaptitude, © yellowj, © bht2000, © Maksim Pasko - fotolia, Siemens, [M]-Götzelmann)

Bereits von weitem sichtbar sticht der so genannte Monte Kali im Fliedetal in der Nähe von Fulda als eine der höchsten Erhebungen aus der Umgebung heraus. Direkt daneben befindet sich, idyllisch gelegen, das Werk Neuhof-Ellers der K+S Kali.

Bereits seit über 100 Jahren werden dort Kalisalze bergmännisch abgebaut, die zur Herstellung von Düngemitteln verwendet werden. Rund 720 Mitarbeiter sind mit der Gewinnung und Veredelung des Rohstoffs am Standort beschäftigt. Das bei der Verarbeitung nicht verwertbare Material – überwiegend Steinsalz – wird auf einer Halde, dem besagten Monte Kali, gelagert. Niederschläge reichern sich hier mit Salz an: Pro Jahr entstehen so durchschnittlich 700 000 m3 salzhaltiges Wasser, das in der Vergangenheit durch Einleiten in tiefe Gesteinsschichten (Plattendolomit) entsorgt wurde.

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Eine neue Lösung muss her

Bereits im Jahr 2006 wurde deutlich, dass die Aufnahmefähigkeit des Plattendolomits bald erschöpft sein wird. Für diesen Fall sahen die einschlägigen bergrechtlichen Genehmigungen den Bau einer Fernleitung an die Werra und die dortige Einleitung der Salzabwässer vor. Diese Vorgaben wurden nochmals einer eingehenden Alternativenprüfung unterzogen, bevor die erforderlichen Genehmigungsverfahren eingeleitet wurden.

„Ein Leitungsprojekt dieser Dimension erfordert präzise Vorarbeit, um zunächst eine genehmigungsfähige Trasse zu finden. Dann musste mit fast 1400 Grundstückseigentümern über den Verlauf der Trasse verhandelt werden“, erinnert sich Christoph Hachfeld, Projektingenieur bei K+S Kali für das Pipelineprojekt. Fünf Jahre und mehrere hundert Aktenordner später konnte im Jahr 2012 nach Vorliegen aller Genehmigungen mit dem Bau der Pipeline begonnen werden.

Hohe Anforderungen an die Elektrotechnik

Der TÜV forderte, dass diese Pipeline nach TRFL (Technische Regel für Rohrfernleitungen) ausgerüstet sein muss. „Dazu gehört beispielsweise eine präzise Leckage-Erkennung und -Ortung. Dies spielte auch eine entscheidende Rolle bei der Auswahl des Lieferanten für die Steuerung der Pipeline“, berichtet Hachfeld. Bei der Suche nach einem kompetenten und verlässlichen Partner fiel die Wahl nach einem umfangreichen Auswahlverfahren auf Siemens als Generalunternehmer für die elektrische Ausrüstung der Anlage. Einer der Gründe dafür war das Know-how, das Siemens im Bereich Pipelines vorweisen konnte. Zum anderen überzeugte das Leckage-Erkennungssystem Siwa Leak.

Zudem war das Prozessleitsystem Simatic PCS 7 bereits erfolgreich im Werk Neuhof im Einsatz. Daher war es ein Pluspunkt, dass Siwa Leak auf dieser Technologie basiert. Zusätzlich wurden Messgeräte zur Ermittlung der erforderlichen Daten benötigt, wie z.B. Durchfluss, Druck und Temperatur. Hier kamen erstmals Sitrans-Messgeräte zum Einsatz, da diese optimal mit dem Prozessleitsystem zusammenarbeiten.

Erkennung und Ortung selbst kleinster Lecks

Der TÜV gab strenge Richtwerte für die Erkennung der Leckagen vor: Bei Pumpbetrieb muss ein Leck bei einem Wasserverlust von unter einem Prozent des maximalen Durchflusses erkannt werden. Während des Ruhebetriebes hingegen dürfen nicht einmal vier Liter Wasser pro Stunde unerkannt durchsickern.

Mit zwölf Schieber- und Entlüfterstationen ist die Trassenführung der Pipeline in 14 Abschnitte aufgeteilt. Aufgrund des Höhenprofiles der Leitung und der jeweiligen Temperaturunterschiede herrschen jeweils unterschiedliche Druckverhältnisse. Mithilfe dieser Daten in den verschiedenen Abschnitten und einem hinterlegten Algorithmus können bereits kleine Leckagen mit hoher Genauigkeit ermittelt werden.

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„Das Schwierige bei der Ausarbeitung des Algorithmus war die Erkenntnis, dass sich Salzwasser hier ganz anders verhält als nor­males Trinkwasser“, berichtet Matthias Rüttiger, Projektleiter bei Siemens. Das im Wasser gelöste Salz enthält Kristalle, die sich bei Temperaturschwankungen anders verhalten als das Wasser. Dadurch ändert sich der Wasserdruck unvorhersehbar. Darüber hinaus haben Wetterbedingungen – etwa starke Regenfälle – einen großen Einfluss auf den Salzgehalt des Wassers. Die Steuerung muss in der Lage sein, mit diesen Schwankungen umzugehen.

Gemeinsam mit K+S Kali und dem TÜV gelang es, einen geeigneten Algorithmus auszuarbeiten. Dazu mussten auch unterschiedliche Betriebsweisen und Bedingungen getestet werden, damit es keinen Fehlalarm gibt. Die Arbeit war erfolgreich, die geforderten Werte konnten sogar weit unterschritten werden. So ist es jetzt möglich, bei Pumpbetrieb ein Leck schon bei der Hälfte des zulässigen Maximalwertes zu erkennen. Im Ruhezustand wird sogar eine undichte Stelle detektiert, die nur 1,45 Liter Wasser pro Stunde verliert. Die Steuerung trägt damit zu einem sicheren Betrieb der Anlage bei.

Das Erkennen einer undichten Stelle allein genügt jedoch nicht. Um schnelle Abhilfe zu gewährleisten, muss man auch wissen, wo sie sich befindet. Durch das Einteilen der Pipeline in Sektionen kann sofort festgestellt werden, in welchem Abschnitt das Leck ist. Mittels Schieber und weiterer Messwerte kann die Stelle schnell auf wenige hundert Meter eingegrenzt werden. Die genaue Ortung erfolgt dann einfach mit konservativen Methoden, beispielsweise mit akustischen Suchgeräten.

Integrierte Automatisierungsfunktionen

Aufgrund der hohen Anforderungen an die Anlage durch den TÜV wurde das Leitsystem Simatic PCS 7 verwendet, welches bereits sicherheitsgerichtete Funktionen (z.B. Safety-Matrix) integriert hat – sowohl für die Bedienung und Beobachtung, als auch für die Steuerungslogik. Dies hat den Vorteil, dass kein zusätzlicher Software- und Hardware-Aufwand für das Einbinden der benötigten Funktionen notwendig war. Auch die IT-Sicherheit wird durch bereits im System integrierte Funktionen unterstützt. Dies beschleunigte ebenfalls die Inbetriebnahme und vereinfacht das Handling.

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Auf einen Blick: Smart Water-Lösung von Siemens

Anlagenplaner, -bauer und -betreiber sind tagtäglich gefordert, Wasserverlust und Energiekosten zu minimieren sowie Abwasserströme intelligent zu steuern und Überflutung von Straßen zu vermeiden. Das Wasser-Management-System Siwa von Siemens unterstützt dabei als modulare Lösung für Pipelines, Trink- und Abwassernetze. Es basiert auf dem Prozessleitsystem Simatic PCS 7 und beinhaltet neben der Leckageerkennung folgende weitere Softwaremodule:

  • Siwa Optim zur Pumpenoptimierung,
  • Siwa Sewer zur Kanalnetzsteuerung,
  • Siwa Concept/Siwa OTS für Simulation und Training.

Die Vorteile der Smart Water-Lösung: Neben verbesserter Versorgungssicherheit lassen sich Energieverbrauch und damit Kosten senken.

Um eine lückenlosen Berichterstattung zu gewährleisten, nutzt K+S Kali außerdem die integrierte Langzeitarchivierung mit Reporting-Funktionen. Daraus ergaben sich nicht nur weitere Zeit- und Kostenvorteile beim Engineering und der Inbetriebnahme: Durch die Integration von sicherheitsgerichteten Funktionen, IT-Sicherheit, Archivierung und Reporting im selben System vereinfacht sich auch der Pflegeaufwand über die gesamte Lebensdauer der Anlage enorm.

Seit Oktober 2014 ist die Salzwasser-Pipeline in Betrieb. Hachfeld zeigt sich sehr zufrieden mit der Lösung und dem störungsfreien Betrieb der Anlage. „Natürlich verläuft ein Projekt dieser Größenordnung nicht immer reibungslos“, so Hachfeld, „aber wir haben partnerschaftlich am gleichen Strang gezogen und die Termine stets im Blick gehabt. Die Zusammenarbeit war hervorragend.“

* Die Autorin ist Senior Marketing Manager, Division Process Industries and Drives, Siemens AG, Karlsruhe.

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