Unkompensierte Kaltverlegung von Fernwärmeleitungssystemen als ein wesentlicher Erfolgsfaktor für das innovative Fernwärmeprojekt Trofaiach

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2 Unkompensierte Kaltverlegung von Fernwärmeleitungssystemen als ein wesentlicher Erfolgsfaktor für das innovative Fernwärmeprojekt Trofaiach

3 Inhaltsverzeichnis Werdegang des Projektes 4 Grundlegende Möglichkeiten für die Realisierung- Verlegearten 5-8 Ausschreibungsvarianten 9 Projektvorstellung Grundlagen der Kaltverlegung und Berechnungen Zusammenfassung

4 Partnerschaft zum Nutzen der Menschen industrielle Abwärme aus Leoben für die Bürger von Trofaiach Stadtwerke Leoben versorgt Kunden in Leoben Abwärme der voestalpine Standort Donawitz Die KELAG Wärme GmbH realisierte 2014 gemeinsam mit den Stadtwerken Leoben das aktuell größte Abwärme-Projekt in der Steiermark. Die Fernwärmeversorgung in der Stadt Trofaiach wurde von Erdgas auf industrielle Abwärme umgestellt. Bereitstellung der Abwärme an die KELAG Wärme GmbH KELAG Wärme GmbH transportiert Wärme von Leoben nach Trofaiach Ziel: Wärmeversorgung der Kunden von Trofaiach bis zum Beginn Heizperiode 2014/15 Kunden in Trofaiach werden mit umweltfreundlicher Abwärme aus Leoben von der KELAG Wärme GmbH versorgt 4

5 Verlegearten Verlegung mit Vorwärmung Verlegung mit beliebig großer Verlegelänge zwischen den Dehnschenkeln um eine Überschreitung der Streckgrenze durch die Längsspannungen zu vermeiden, werden die Rohre in der Baugrube vorgewärmt- und in diesem Zustand verfüllt bei entsprechender Länge bilden sich Haft- und Gleitbereiche aus Gleitbereichslängen werden reduziert dadurch auch die Verschiebungen und die damit verbunden Dehnpolsterabmessungen Abzweiger können meist ohne Verstärkung ausgeführt werden 5

6 Verlegearten Kaltverlegung 1. Methode Verlegelänge < l zul Länge wird zwischen zwei Dehnschenkel beschränkt, sodass Axialspannungen < als die Streckgrenze gehalten werden elastisches Verhalten Betriebstemperatur ist entsprechend angepasst, sodass Axialspannungen < als die Streckgrenze gehalten werden elastisches Verhalten 6

7 Verlegearten Kaltverlegung 2. Methode zulässig bis DN 400 unter 130 C Betriebstemperatur Verlegung mit beliebig großen Verlegelängen zwischen den Dehnschenkeln es bilden sich Gleit- und Haftbereiche aus bei Überschreitung der Streckgrenze tritt eine einmalige pl. Stauchung einauch als betriebliche Selbstvorspannung bezeichnet (jedoch Streckgrenze des Stahles meist höher event. elastisches Verhalten) bei allen weiteren Betriebsvorgängen elastisches Verhalten der Rohre aus den großen Gleitbereichslängen resultieren große Verschiebungen und somit große Dehnpolsterdicken verstärkte T-Stücke (z.b.: im Haftbereich) Vergleich der Kaltverlege- Methode 1 zu Methode 2 (umgesetzt im Projekt): 152 Stk. Bögen anstatt 76 Stk. eingebauter Bögen 7

8 Besonderheiten der Kaltverlegung lange gerade Trassenführung unmittelbar nach der Verlegung kann verfüllt werden Zeitraum des Grabenoffenhaltens ist gering, geringere Vorhaltekosten für Grabenverbau, LKW- Überfahrten, große Kräfte an erdverlegten Armaturen spätere Anbohrungen aufgrund der Axialspannungen schwierig Abzweige müssen meist verstärkt ausgeführt werden größere Dehnungsbewegungen nach Verfüllen- gegenüber thermisch vorgespannten System große Dehnpolsterdicken bedingen thermische Belastung des PE- Mantels (Temperaturen über 50 C sind zu vermeiden) mechanisch oder thermisch Vorspannen der Dehnpolsterbereiche Freigraben von Abschnitten bei hoher Betriebstemperatur im Haftbereich nur begrenzt möglich lt. Regelwerke (z.b.: AGFW) keine Knicke zulässig 8

9 Ausschreibungsvarianten Verhandlungsverfahren mit einem Aufruf zum Wettbewerb (Europaweit) Präqualifikation in 3 Teillosen: Tiefbau: Kaltverlegung als Basisangebot mit Variante Warmverlegung- in Form von Trassenmeterpreisanfragen Montagearbeiten: Kaltverlegung als Basisangebot mit Variante Warmverlegung- in Form von Positionspreisanfragen Rohrlieferung: Stahlqualität P235GH als Basisangebot mit Variante P355NH in Form von Positionspreisanfragen. Zuschlagskriterien bei allen Losen- das wirtschaftlich günstigste Angebot der einzelnen Varianten sowohl wirtschaftliche, technische, als auch zeitliche Rahmenbedingungen waren Eckpunkte für die Entscheidung über die eingesetzte Verlegeart die Kaltverlegung 9

10 Vorstellung Transportleitung Leoben - Trofaiach 10

11 Vorstellung Transportleitung Leoben - Trofaiach 11

12 Transportleitung Leoben - Trofaiach Wärmemenge gesamt 32GWh/a Wasserinhalt im Netz l 12

13 Transportleitung Leoben - Trofaiach Errichtungszeit: Juni bis Anfang Dezember 2014 bewegte Aushubkubaturen: m³ Arbeitstage: 143 davon 27 Schlechtwettertage= 116 Arbeitstage Vortriebsleistung inkl. Verfüllen 193m³ pro Tag eingebautes Bettungsmaterial: 9.000m³ Sand 13

14 Transportleitung Leoben - Trofaiach hergestellte Schweißnähte 1.285Stk verlegte Rohrleitungen m oder 826t hergestellte Rohrbrücken: 2 Stk mit insgesamt 54m Trassenlänge 14

15 Grundlagen - Haft- Gleitbereich Dehnung Dehnung Reibungskräfte Quelle: AGWF-FW_401_10 15

16 Rechenbeispiel Werkstoff P235GH Streckgrenze (lt. EN 13941) bei 105 C (50 C T 140 C) RR eeee = 227 0,28 TT 50 = 211 [N/mm²] Wärmeausdehnungskoeffizient (lt. EN 13941) bei 105 C αα TT = 11,4 + TT = 1, [1/K] Elastizitäts- Modul (lt. EN 13941) bei 105 C (bis 140 C) EE TT = 21,4 TT = 2,08*10 5 [N/mm²] 16

17 Rechenbeispiel Spannungsschwingbreite bei 105 C / 10 C σσ = EE αα tt = 2,08*10 5 * 1,22*10-5 * 95 = 241N/mm² E = EEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEE [NN/mmmmm] αα = LLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLL 1, [KK 1 ] tt = TTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTT [K] Gleitbereichslänge bei 105 C σσ = FF AA = FF RR.ll AA ll oo = σσ AA ss FF RR FF RR = FFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFF jjjj LL [NN/mmmm 2 ] σ = heeeeeeeeeeeeeeeee SSSSSSSSSSSSSSSS [NN/mmmmm] AA SS = QQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQ mmmm mmmmm = ,79 = 152 mm Friktionskraft / Erdreibungskraft FF RR = 1+KK 0 2 ππ DD zz γγ μμ kk 0 = RRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRR 0,50 D = DDDDDDDDDDDDDDDDDDDDD MMMMMMMMMMMMMMMMMMM mmmm z = VVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVV bb. AAAAAAAAA mmmm γ = WWiiiiiiiii dddddd VVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVV [NN/mm 3 ] µ = RRRRRRRRRRRRRRRR(FFFFFFFFFFFFFFFFFF)kkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkk 0,40 = 1+0,50 2 ππ 0,45 0, ,40 = 6794 NN/mm 17

18 Rechenbeispiel Endverschiebung nach Verfüllen des Rohrgrabens ohne Berücksichtigung des Innendruckes, ll = αα TT ll FF RR ll 2 2 EE AA LL = LLLLLLLLL [mmmm] αα = LLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLL 1, [KK 1 ] E = EEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEE [NN/mmmmm] ll = 1, , , = 85mmmm Dehnpolsterdicke 1,5 ll =127mm > 100mm Vorspannen der Dehnpolsterbereiche 18

19 Vorspannen der Dehnpolsterbereiche mechanisches Vorspannen der Dehnpolster Leitungen werden komplett bis auf eine Rohrverbindung vor dem Bogen eingesandet Passstück, welches vorher mit- eingeschweißt wurde, wird entfernt Vorspannvorrichtung wird aufgesetzt und Biegeschenkel, welcher die Dehnung aufnehmen soll, wird mechanisch in die unkompensierte, eingesandete Dehnpolster- Zone gezogen Rohre werden anschließend verschweißt und der Graben verfüllt Dehnpolsterdicken verringern sich 19

20 Stabilitätsnachweis Stabknicken Knicklast ist abhängig von der Stablänge und Lagerung Versagen tritt plötzlich und ohne Vorankündigung auf anwachsende Verformung bei konstanter Belastung Knicklast nach Euler FF KK = EE II yy ππ 2 ll kk 2 E = EEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEE [NN/mmmmm] II = TTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTT [mmmm 4 ] ll kk = KKKKKKKKKKKKKKKKKKK nach Euler [mm] BBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBB < BBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBB γγ aa FF aa FF KK γγ MM FF aa = BBBBBBBBBBBBBBBBBB iiiiiiiiiiiiii RRRRRRRRRRRRRR [NN] γ = TTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTT 1,2;1,25 [] ll kk = KKKKKKKKKKKKKKKKKKK nach Euler [mm] z.b.: bei 80m Entfernung zum Bogen LL zzzzzz = EE II ππ2 = 9,7mm γγ aa γγ mm FF aa 20

21 Stabilitätsnachweis Stabknicken (σσ > RR eeee /1,1) Geringe Knicksicherheit bei Spannungen oberhalb der Streckgrenze Begrenzung der Schlankheit λλ = ll kk ii yy 20 ii yy = II yy AA ss = 94mmmm ii yy 20 = ll kk zzzzzz ll kk = KKKKKKKKKKKKKKKKKKK nach Euler [mm] ii yy = TTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTT[mmmm] II = TTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTT [mmmm 4 ] AA ss = QQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQ [mmmm²] ll kk zzzzzz = = 1,88mm 21

22 Erfolgsfaktoren wirtschaftlich und bauzeitmäßig optimiertes Projekt: durch effektive Umsetzung während der Bauphase durch die Besonderheit einer Transportleitung wird eine Kaltvelegung realisierbar (bei anderen Rahmenbedingungen sind die Möglichkeiten neu zu evaluieren) durch ein Ausschreibungsverfahren- mit dem die einzelnen Varianten wirtschaftlich messbar wurden 22

23 Zusammenfassung Errichtungszeit: Juni 2014 bis Anfang Dezember ,0 km Fernwärmeleitung von Leoben nach Trofaiach kaltverlegt Jährliche Wärmemenge: 32 Millionen Kilowattstunden Tonnen jährliche CO2- Emissionseinsparung Das entspricht 40 Millionen gefahrene Kilometer Stadtwerke Leoben: 1 Mio. Planinvestition Kelag Wärme GmbH: 6,5 Mio. Planinvestition VIELEN DANK FÜHR IHRE AUFMERKSAMKEIT 23

24 Ihr Ansprechpartner Dipl. Ing. (FH) Helmut Steiner T +43(0) F +43(0) E helmut.steiner@kelagwaerme.at KELAG Wärme GmbH St.-Magdalener-Straße Villach Österreich 24

25 Quellen AGFW FW401_1-18 Önorm EN Önorm EN 253 EN 448 EN

26 BACKUP Freie Dehnung Freie Dehnung ll = αα tt LL αα = LLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLL 1, [KK 1 ] tt = TTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTT [K] LL = LLLLLLLLL [mmmm] z.b.: DN 250; bei L=300trm; bei 10 Einbautemperatur und 100 C Betriebstemperatur ll = 1, = 0,162mm 26

27 BACKUP Verschiebungsanteile 27

28 Grundlagen natürlicher Festpunkt nach einer Temperaturbelastung dehnt oder zieht sich eine Rohrleitung nach beiden Enden aus oder zieht sich zusammen. In der Mitte stellt sich ein Ruhepunkt ein. in diesem Punkt treten die größten Spannungen auf die Spannungen nehmen zu Rohrleitungsende hin ab die Reibungskräfte sind proportional zu den Überdeckungshöhen d.h. der NFP verschiebt sich zur Seite der größeren Überdeckung ( h1 xx dddd = h2 xx dddd = FFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFF) Quelle: AGWF-FW_401_10 28

29 Transportleitung Leoben - Trofaiach verlegte Bögen 76Stk Horizontalbohrung DN 1200mm 29m 29