Wasserversorgung Pumpen und Armaturen in der Netz-Infrastruktur – Druckmanagement als Qualitätsfaktor

Autor / Redakteur: Hans-Jürgen Bittermann / Dr. Jörg Kempf

Schnelle Verbrauchsänderungen oder schnell schließende Armaturen können zu Druckstößen im Netz des Wasserversorgers führen. Im ungünstigsten Fall wird der zulässige Nenndruck von Anlagenteilen überschritten, Sicherheitsausrüstungen lösen aus. Ein konstanter Netz-Druck ist deshalb ein wichtiger Qualitätsfaktor.

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Durch die Anwendung modernster Materialien und Technologien erreichen Vertical Turbine-Pumpen einen beeindruckend hohen hydraulischen Wirkungsgrad von 88 %.
Durch die Anwendung modernster Materialien und Technologien erreichen Vertical Turbine-Pumpen einen beeindruckend hohen hydraulischen Wirkungsgrad von 88 %.
(Bild: Wilo)

Im 19. und im 20. Jahrhundert waren Wassertürme zentraler Bestandteil der Trinkwasserversorgung – in Einzelfällen ist das bis heute noch der Fall: Gemäß dem Prinzip der kommunizierenden Röhren steht mit einem Wasserturm den tiefer gelegenen Verbrauchern am Wasserhahn stets der gleiche Druck zur Verfügung. Pumpen werden lediglich zum regelmäßigen Befüllen des Hochbehälters in den Nachtstunden benötigt. Das hat in einer modernen Siedlungswirtschaft mit einem industrialisierten Umfeld natürliche Grenzen. Hier muss der Netz-Druck mithilfe von Pumpen und Armaturen aufgebaut und insbesondere auf Gleichmäßigkeit eingeregelt werden. Denn Verbrauchsänderungen oder schnell schließende Armaturen können zu Druckstößen, Geräuschen und Belastungen aller Komponenten führen.

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Netzpumpen bieten hohes Einsparpotenzial

Netzpumpen für größere Versorgungs-Infrastrukturen brauchen natürlich Power, wie Wilo das vorführt: Sie sind rund 14 m hoch, wiegen jeweils 20 000 kg und fördern 1850 Liter Wasser pro Sekunde. 1000-kW-Motoren sorgen für die nötige Leistung und garantieren einen konstanten Druck von 4 bar. Die Vertical-Turbine-Maschinen zählen zu den größten Pumpen, die je von diesem Anbieter in Europa für einen Einsatz in Asien produziert worden sind.

Diese neuen Pumpen sind gewiss so effizient, wie es dem aktuellen Stand der Technik entspricht. Ihre Power deutet aber darauf hin, welche Energieeinsparpotenziale ältere Pumpen für das Verteilen des Wassers im zumeist weitläufigen Netz von Wasserversorgungssystemen haben können. Energie einsparen oder zurückgewinnen kann man beispielsweise, wenn man Druckzonen im Netz effizienter gestaltet und Drucküberschüsse abbaut.

Vertrauen ist gut – Überprüfen ist besser

Typisch für solche Pumpen im Bestand ist verschlissene und zudem falsch dimensionierte Technik. Daher ist es sinnvoll, diese Pumpen von Zeit zu Zeit zu überprüfen, dazu raten alle Hersteller. Manche haben dazu auch spezielle Methoden entwickelt.

Beispielsweise offeriert Grundfos das SP Energie-Tool, um rasch Informationen über mögliche Energieeinsparungen zu erhalten. Für eine detailliertere Bewertung rät der Anbieter zu Energiechecks und Pump Audits. Lautet das Ergebnis „Austauschen“, ist es zumeist die günstigste Lösung, mehrere kleine Pumpen parallel zu installieren und sie über eine Mehrpumpensteuerung zu regeln. Eine Kaskadensteuerung mit Drehzahlstellung des Motors sorgt dafür, dass die Pumpen überwiegend im Wirkungsgradbestpunkt laufen.

Die Auslegung derartiger Anlagen erfolgt mithilfe von Belastungsprofilen, die das Verbrauchsverhalten über den Tag abbilden. Sie geben Aufschluss darüber, wie lange eine Pumpe in einem bestimmten Betriebsbereich läuft. Im Vergleich zur herkömmlichen Vorgehensweise können die Investitionskosten erheblich reduziert werden, so dass Amortisationszeiten von einem bis drei Jahren üblich sind. Durch das Umrüsten einer konventionellen Druckerhöhungsanlage mit fester Drehzahl zu einer drehzahlgeregelten Anlage kann der Energieverbrauch um bis zu 50 Prozent gesenkt werden, so die Erfahrungen bei Xylem.

Bleibt zu klären, wie man ein herkömmliches System auf variable Drehzahl umrüsten kann – und welcher Aufwand damit verbunden ist. Voraussetzung ist ein Drehzahlregler, der für das bestehende System kompatibel ist. Das gilt etwa für die neueste Generation Hydrovar, ein Drehzahlregler der Marke Lowara von Xylem. Sie können auf jede vorhandene Druckerhöhungsanlage nachgerüstet werden. Der Einbau der kompakten Frequenzumformer sei für erfahrene Pumpenmonteure schnell und einfach möglich, so der Anbieter. Die Regler kommunizieren nach dem Umbau über ein internes Bussystem, um sicherzustellen, dass die eingesetzte Menge an Energie und die damit geförderte Menge Wasser dem tatsächlichen Bedarf entspricht.

Druckmanagement über Armaturen

Wasserverteilungsnetze sind über viele Jahrzehnte permanenten Belastungen wie Frost, Straßenverkehr, Erdbewegung und Wasserdruck ausgesetzt. Die Folge sind Materialermüdung, Risse, Leckagen – und damit Wasserverluste. Der größere Teil der Verluste entsteht dabei nicht etwa durch große Rohrbrüche, sondern durch die Vielzahl kleiner Lecks. Experten schätzen, dass rund ein Drittel der verfügbaren Trinkwasser-Ressourcen auf dem Transportweg zum Endverbraucher verloren geht.

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Der Ansatz, Leckagen zu finden und zu beheben, ist meist weder realisierbar noch finanzierbar. Darüber hinaus zeigt die Erfahrung: Beseitigt man einen Teil der Leckagen, steigt der Druck auf die verbliebenen und vergrößert hier den Verlust.

Das Druckmanagement der VAG setzt genau an der anderen Stelle an: Es mindert den Wasserdruck im Rohrleitungsnetz und zwar abhängig von Verbrauchsmengen oder Verbrauchszeiten. Druckreduzierung, Druckhaltung und Niveauregulierung in einem bietet das pilotgesteuerte Regelventil der Baureihe Pico. Das Ringkolbenventil Riko wiederum regelt präzise Druck und Volumenstrom und sichert so eine konstante Wasserversorgung.

Intelligenz im Wasser-Netz

Das Erfassen und Auswerten großer Datenmengen werde 2017 auch für Versorgungsunternehmen eine wichtige Rolle spielen, prognostiziert die Software AG. Allerdings werde dabei nicht nur Big Data zum Zuge kommen. Vielmehr gewinne Streaming Analytics an Bedeutung. Der Unterschied: Klassische Big-Data-Applikationen erlauben gewissermaßen einen Blick zurück. Dagegen korreliert und aggregiert Streaming Analytics in Echtzeit Datenströme aus unterschiedlichen Quellen, erkennt Muster in diesen Datenströmen und erlaubt es, proaktiv die richtigen Maßnahmen zu ergreifen. Somit ermögliche es Streaming Analytics, den Blick nach vorne zu richten.

Big Data ist natürlich dennoch ein wichtiges Thema: So wird in Versorgungsnetzen Predictive Maintenance Einzug halten, etwa bei der Überwachung von Ventilen, Turbinen und Pumpen. So lassen sich Wartungszeiten besser planen und optimieren. Potenzielle Ursachen von Störungen werden bereits im Vorfeld erkannt und können beseitigt werden.

Siemens offeriert dazu das Wasser-Management-System Siwa – eine modulare Lösung für Pipelines, Trink- und Abwassernetze. Die Smart Water-Lösung basiert auf dem Prozessleitsystem Simatic PCS 7 und umfasst Softwaremodule, die flexibel miteinander kombinierbar sind. Je nach Anforderung unterstützen diese den Betreiber dabei, die Abläufe zu optimieren, Leckagen zu erkennen und zu lokalisieren sowie eine dynamische Simulation von Rohrleitungssystemen durchzuführen. Die Vorteile liegen auf der Hand: Neben verbesserter Versorgungssicherheit lassen sich der Energieverbrauch und damit die Kosten der Anlagenbetreiber senken.

Siwa Optim beispielsweise optimiert den Betrieb von Wassernetzen durch effiziente Fahrpläne für Pumpen, Behälter, Wasserwerke – für eine höhere Produktivität der Anlagen. Erfahrungswerte zeigen, dass dadurch die relevanten Kosten bei Wassertransport und -verteilung um bis zu 15 Prozent reduziert werden können. Siwa Leak und Siwa LeakControl sind Systeme zur Erfassung von größeren wie auch schleichenden Leckagen in Wassertransportleitungen und -verteilsystemen. Als Ergänzung zu vorhandenen Leit- und Automatisierungssystemen liefern die Tools kontinuierlich Informationen über den Zustand der Wasserleitungen an das Bedienpersonal und somit im Leckagefall eine präzise Entscheidungsgrundlage für das Ergreifen der richtigen Gegenmaßnahmen.

Fazit

Das Erzeugen von Druck kostet Energie – die Wasserversorgung zählt zu den großen Verbrauchern elektrischer Energie. Der Einsatz hocheffizienter Pumpen in Verbindung mit smarten Regelarmaturen senkt die Kosten. Modernes Druckmanagement braucht aber mehr als Pumpen und Armaturen: Erst die IT-gestützte Steuerung der Technik und die smarte Analyse der Daten sichern die Versorgungssicherheit und die Druckkonstanz.

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