Modernisieren von Pumpwerken und Rechenanlagen

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1 Kosten + Technologien Dipl.-Ing. Klaus ALT; Dipl.-Ing. Inge BARNSCHEIDT; Dipl.-Ing. Hans-Markus KOLL Modernisieren von Pumpwerken und Rechenanlagen Exakte Grundlagenermittlung und eine nachhaltige Planung sind Voraussetzungen für die Modernisierung von Pumpwerken. Viele Pumpwerks- und auch Rechenanlagen sind aufgrund ihres fortgeschrittenen Alters modernisierungsbedürftig, obwohl gerade die Wirtschaftlichkeit und auch die Betriebssicherheit nachfolgender Verfahrensstufen maßgeblich von der einwandfreien Funktionsfähigkeit dieser Anlagenteile abhängen. Verzopfungen z. B. an Rührwerken in Belebungsanlagen sowie weiteren Pumpwerksaggregaten im Bereich der Schlammbehandlung sind jedem Betrieb bekannt und aufgrund seines hohen Instandhaltungsaufwandes ein Dorn im Auge. Ziel: Energiebedarf senken Des Weiteren wird im Handbuch Energie auf Kläranlagen /1/ deutlich, dass die Pumpwerke sowie die zugehörigen Rechenanlagen in der Regel etwa 10 bis 20 % des gesamten Bedarfs an elektrischer Energie auf Kläranlagen ausmachen. In den letzten Jahren wurde am Beispiel vieler Energieanalysen aufgezeigt, welches Potenzial die Verfahrensgruppe Pumpwerke und Rechenanlagen zur Energieoptimierung bietet, um Modernisierungsmaßnahmen durchzuführen. Darüber hinaus spielen u. a. folgende Aspekte eine besondere Rolle: Verschleiß und hohe Instandhaltungskosten der Bau-, Maschinen- und EMSR- Technik unwirtschaftliche und in großen Teilen veraltete Verfahrenstechnik ganzheitliche Betrachtung anstatt punktuelle Einzelmaßnahmen langfristige Wirtschaftlichkeit unter Beachtung der gegebenen Randbedingungen bei Bedarf Minimierung der Lärm- und Geruchsemissionen, Umweltschutz Beachtung der Kriterien Arbeitssicherheit und Flexibilität im Betrieb. Die Betreiber weisen heutzutage zu Recht darauf hin, dass neben den ökonomischen Vorteilen eine Vielzahl weiterer Aspekte sowie monetär nur schwer fassbare Kriterien in einer ganzheitlichen Planung zu berücksichtigen sind. Fragen der Zugänglichkeit für das Betriebspersonal sowie eine weitergehende Betrachtung des Umweltschutzes hinsichtlich Geruchs- und Lärmemissionen sind ebenfalls zu berücksichtigen. Eine nachhaltige Planung, verbunden mit einer hohen Qualität von der Grundlagenermittlung bzw. Bestandsaufnahme über die verschiedenen Planungsstufen der Konzepterstellung bis zur Abwicklung und der In-

2 SPECIAL PUMPEN Diese Aufzählung stellt nur einen Teil der wesentlichen Einflussfaktoren dar, die bei der Planung von Pumpwerksanlagen zu berücksichtigen sind. Neben den bekannten Grundsätzen sind neue Aspekte, wie die Gestaltung des Pumpensumpfes mittels CFD- Simulation und damit einhergehende energetische Optimierung des Gesamtkonzepts besonders hervorzuheben. Pumpwerk- und Rechengebäude des Zentralklärwerks Kassel, Bild 1 im Vordergrund das neue Schneckenpumpwerk betriebnahme, sind Grundvoraussetzung für den Erfolg. Mit dem vorliegenden Beitrag wird anhand von aktuellen Praxisbeispielen aufgezeigt, welche Erfahrungen mit einer ganzheitlichen Planung anhand verschiedener Projektbeispiele gesammelt wurden. Grundsätzliches zu Pumpwerken und Rechenanlagen Pumpwerke Meist werden zur Beschickung von Kläranlagen nass oder trocken aufgestellte Kreiselpumpen oder Schneckenpumpen eingesetzt. Im ATV-DVWK-Arbeitsblatt 134 Planung und Bau von Abwasserpumpanlagen /2/ wird zu Beginn klargestellt, dass Pumpanlagen so bemessen werden müssen, dass bei Berücksichtigung ausreichender Reserven die gleiche Entsorgungssicherheit wie bei Ableitung in freiem Gefälle erreicht wird. Dieser Sachverhalt gilt analog für Regenwasser-, Vorflut- und auch für Hochwasserpumpwerke. Die Pumpwerksarten sowie auch ihre Funktion sind über die Jahrzehnte weitgehend gleich geblieben, wobei heutzutage verschiedenste Einzelaspekte Grundlage jeder Planung sein sollten: Grundanforderungen eines automatischen störungsarmen Betriebes, Minimum an Wartungsarbeiten Beachtung der schwankenden Zuflussmengen bei der Pumpenstaffelung bzw. Festlegung von Redundanzen abhängig vom Fördermedium ist einer Verstopfungs- und Verzopfungsfreiheit und speziell dem Mindestkugeldurchgang besondere Aufmerksamkeit zu widmen generelle Erweiterungsmöglichkeiten bei veränderter Abwassermenge Festlegung bzw. Optimierung der Druckrohrleitungsnennweiten Gestaltung des Pumpensumpfes bzw. Berücksichtigung der Strömungsverhältnisse im Zulauf der Pumpen (z. B. mit CFD-Simulation) energetische Optimierung im Gesamtkonzept Gesamtkonzept mit Nebenanlagen, wie Kranbahn, Heizung und Lüftungsanlagen, Netzersatzanlage, Niederspannungsräume usw. Rechenanlagen Rechenanlagen gehören auf Kläranlagen und mittlerweile auch in Regenwasserbehandlungsanlagen zu einem der wesentlichen Verfahrensschritte, deren Aufgabe primär aus der Entnahme von groben Schmutzstoffen besteht. Der Platzbedarf von Rechenanlagen wird maßgeblich von der Anordnung der maschinen- und EMSRtechnischen Einrichtungen geprägt, da je nach bestehender Bauausführung sowie z. B. der Anzahl der Zulaufgerinne das Raumkonzept festgelegt ist. In den überwiegenden Fällen besteht die Aufgabe aus der Modernisierung eines bestehenden Rechengebäudes, wobei nachfolgend auf unterschiedliche Planungsaspekte eingegangen wird: Auswahl der Grob- und/oder Feinrechen Festlegung des Rechentyps bzw. der Anzahl der Rechen Prüfung der erforderlichen Spaltweite des Rechens unter Beachtung der Aufgaben und der hydraulischen Randbedingungen Beachtung der Aufbauhöhe unter Berücksichtigung der Montage/Demontage/ Kranbahn usw. Rechengutförderung (Schnecken-, Spiralförderer, Band) Festlegung der Größe und Anzahl der Rechengutcontainer Beachtung von Ausfallstrategien bzw. Notabwurfkonzept, Redundanzen. Analoge Anforderungen sind grundsätzlich zu beachten, wenn die Aufgabe der Sandgutentnahme sowie Aufstellung der Sand- Bild 2 Einbau der neuen Schneckenpumpen 14 5/2011

3 Kosten + Technologien Fließschema PAH Diergardt-Mevissen, Bestand Bild 3 gutcontainer ebenfalls im Rechengebäude untergebracht werden soll. Abhängig von der Kläranlagengröße und den maßgebenden Dimensionierungsparametern, wie z. B. des minimalen bzw. maximalen Abwasserzuflusses, sind o. g. Planungsaspekte einzeln zu betrachten. Heutzutage sind auch hohe Anforderungen im betrieblichen Arbeitsschutz sowie an Geruchs- und Lärmemissionen zu stellen und frühzeitig in die Gesamtplanung zu integrieren. Grundlagenermittlung und Bestandsanalyse Voraussetzung einer nachhaltigen Planung ist eine detaillierte Erfassung des Bestands bzw. des Ist-Zustands der zu betrachtenden Anlagenteile. Obwohl die Wichtigkeit dieses Planungsschrittes und die möglichen gravierenden Auswirkungen auf die Gesamtkonzeption und die Wirtschaftlichkeit des Vorhabens allen Beteiligten klar sein sollte, wird immer wieder festgestellt, dass den ersten Planungsschritten der Leistungsphasen 1 und 2 der Objektplanung gemäß HOAI nicht die erforderliche Aufmerksamkeit gewidmet wird. Kurzfristige Investitionen sowie auch nur die punktuelle Betrachtung von einzelnen Anlagenteilen, die nur auf die Behebung des jeweiligen Mangels abzielen, führen im ungünstigen Fall über Jahre hinweg zu einer Dauerbaustelle mit hohem Instandhaltungsaufwand ohne, dass heutige Anforderungen wwt-online.de an zukunftsfähige Gesamtlösungen erreicht werden. Für eine solche zukunftsfähige Gesamtplanung sind die hydraulischen und verfahrenstechnischen Ziele in die Gesamtanlage unter Einbeziehung aller Einflüsse auf andere Verfahrensstufen erforderlich. Eine ganzheitliche Betrachtung ist hier nicht nur auf die maschinen- und EMSR-technischen Einrichtungen zu beziehen. Man verlangt berechtigterweise u. a. auch eine Einbeziehung des Kanalsystems in die Planung. Hydraulische Auswirkungen bzw. ein Rückstauverhalten bis hin zu einer möglichen integrierten Kanalnetzbewirtschaftung sind heutzutage bei der Planung bzw. Modernisierung von Pumpwerken selbstverständlich. Hierzu gehören hydrodynamische Kanalnetzsimulationen genauso, wie z. B. eine dreidimensionale Simulation der Zulaufsituation und der Pumpensumpfgestaltung zur Optimierung der Anströmung der gewählten Pumpen (Minimierung der Energiekosten). In der Grundlagenermittlung bzw. Bestandsanalyse sind folgende Aspekte von Wichtigkeit: Auswertung der Zulaufwassermengen und der maßgebenden Ganglinien Ermittlung von Lastfall-Szenarien zur optimalen Auslegung der Pumpwerksaggregate sowie der Rechenanlagen Betriebserfahrungen des Betreibers bzw. Dokumentation der über viele Jahre hinweg gewonnenen Erkenntnisse Detaillierte Aufnahme des baulichen Zustands der Anlage sowie der bestehenden Maschinen- und EMSR-technischen Einrichtungen (Foto- und Zustandsdokumentation, Anlagenkenndaten) Prüfung von vorhandenen Bestandsplänen auf Aktualität und in den meisten Fällen erforderliche Aktualisierung der Planunterlagen anhand einer Vermessung, bis hin zur Erstellung von neuen Bestandsplänen Erfassung der bestehenden Leistungsdaten bzw. Energiekosten im Ist-Zustand Diskussion der Betreibererfahrungen bzw. Philosophie, z. B. im Hinblick der Pumpwerkstypen bzw. Rechentypen und der Rechengutförderung usw. Besichtigung anderer Anlagen bzw. Erfahrungsaustausch der Betreiber mit ähnlicher Aufgabenstellung. Die Planungsaufgabe wird nur dann erfolgreich sein können, wenn bereits zu Beginn alle Projektbeteiligten unter Einbeziehung des Betriebspersonals am Tisch sitzen und gemeinsam die Anforderungen bzw. den Zielkatalog definieren. Häufig wird nur in enger Zusammenarbeit mit dem Betriebspersonal vor Ort erkannt, welche Betriebserfahrungen der letzten Jahre tatsächlich gegeben oder welche besonders kritischen Betriebspunkte überhaupt vorhanden sind. Dass der Bauherr genauso wie der Planer gefragt ist, die erforderlichen Grundlagendaten zusammen zu stellen und intensiv an den ersten Planungsphasen mitzuwirken, sollte heute ebenfalls selbstverständlich sein. In diesem Zusammenhang ist auch darauf hinzuweisen, dass für eine fundierte Bestandsaufnahme häufig die Außerbetriebnahme von Anlagenteilen erforderlich ist, um den tatsächlichen Sanierungsbedarf überhaupt zu erkennen und um zu einem späteren Zeitpunkt keine Überraschungen zu erleben. Diese vorausschauenden Arbeitsschritte beinhalten einen erheblichen Aufwand für die Projektbeteiligten und sind darüber hinaus über eine auskömmliche Honorierung der anfallenden Ingenieurleistungen sicherzustellen. Die Grundlagenermittlung gemäß der Leistungsphase 1 der Objektplanung deckt den hier beschriebenen Arbeitsaufwand heutzutage nicht mehr ab. Hierfür sind geeignete und faire Abrechnungsgrundlagen anhand von Aufwandskalkulationen zu führen, so dass alle Projektbeteiligten die Vorgehensweise der zugehörigen Arbeitsschritte kennen und eine höchst mögliche Transparenz gegeben ist. Beispiel 1: Pumpwerk und Rechengebäude des Zentralklärwerks Kassel Die mechanische Reinigungsstufe auf dem Zentralklärwerk Kassel besteht aus zwei Schneckenpumpwerken, einem Rechengebäude und einem belüfteten Sandfang. SPECIAL PUMPEN 15

4 SPECIAL PUMPEN Die Sanierungsziele lassen sich wie folgt umschreiben: Durch eine Verlegung des Regenwasserabschlages vor die Rechenanlage ist eine hydraulische Entlastung des Gesamtsystems der mechanischen Reinigungsstufe anzustreben. Dies gilt für den vorgeschalteten Rechenbereich sowie den überlasteten Sandfang. Neben der notwendigen Sanierung der Schneckenpumpen ist eine neue Konzeption des Zulaufpumpwerks sinnvoll, um die hydraulischen Abwasserströme aus dem Stadtgebiet Kassel konstruktiv und hydraulisch optimal realisieren zu können. Zur Vermeidung von Verzopfungen und weiteren betrieblichen Problemen in nachgeschalteten Anlagenteilen ist ein Sieblochdurchmesser der Rechen von durchgängig 8 mm angedacht. Neue Förderbänder und eine Rechengutwaschung sind ebenfalls zu berücksichtigen. Pumpwerksbestand mit Umbaumaßnahmen, Planung Bild 4 Das gesamte Abwasser aus dem Stadtgebiet Kassel mit einer Regenwassermenge von 12 m 3 /s = 10 Q TW wird über ein zweistufiges Schneckenpumpwerk gehoben, um die mechanische Reinigungsstufe im Freispiegelabfluss zu durchfließen. Beide Pumpwerke (1. Stufe mit 2 Schneckenpumpen, 2. Stufe mit 6 Schneckenpumpen) besaßen vor der Ertüchtigung keine Reserveaggregate. Nach der Hebung durchfloss das Abwasser drei Kletterrechen mit einer Spaltweite von 25 bzw. 8 mm. Das Rechengut wurde über Förderbänder einer Walzenpresse zugeführt und anschließend in 5 m 3 - Container verladen. Hinter dem belüfteten Sandfang wurde durch einen Regelschieber die Beschickungsmenge der Vorklärung sowie der anschließenden Belebungsstufe auf eine maximale Mischwassermenge von 2,4 m 3 /s = 2 Q TW begrenzt. Das überschüssige Regenwasser von 12 m 3 /s 2,4 m 3 /s = 9,6 m 3 /s wird über ein Regenüberfallbauwerk abschlagen und zwei runden Regenklärbecken zugeführt. Sanierungsziele Die vor der Ertüchtigung bestehenden Betriebsprobleme lassen sich wie folgt zusammenfassen: Aufgrund hydraulischer Engpässe können derzeit statt der erforderlichen 9,6 m 3 /s maximal 6 m 3 /s ohne Rückstau über die Regenklärbecken abgeführt werden (Hochwasserstand Fulda). Die bestehenden Schneckenpumpen sind soweit verschlissen, dass eine Generalsanierung im Werk erforderlich ist. Die ausgewaschenen Tröge sind sanierungsbedürftig. Zwei der drei bestehenden Rechen haben eine Spaltweite von 25 mm, wodurch es zu Verstopfungen in Pumpen und Aufschwemmen von Grobstoffen in der Nachklärung kommt. Hohe hydraulische Belastung der bestehenden Rechen bzw. des Sandfanges und hieraus resultierende Betriebsprobleme Im Bereich der Rechenanlage fehlen Hebezeuge, die das betriebliche Handling deutlich verbessern würden. Aufbauend auf zuvor beschriebene betriebliche Probleme der mechanischen Reinigungsstufe des Zentralklärwerkes ist ein Vorschlag für eine wirtschaftliche und betriebssichere Lösung unter Berücksichtigung der gegebenen hydraulischen Randbedingungen zu erarbeiten. Lösungskonzepte Vor dem Hintergrund der engen Platzverhältnisse auf dem Zentralklärwerk in Kassel wurden im Rahmen eines Ingenieurwettbewerbs und der Vorplanung eine Vielzahl unterschiedlichster Konzepte diskutiert, miteinander verglichen und bewertet. Beispielhaft sind folgende Lösungsvorschläge aufgeführt: VARIANTE A: Sanierung aller 8 Schneckenpumpen und Einbau von 2 Tauchmotorpumpen im Schneckensumpf für den Reservefall bei Ausfall einer Trockenwetterschneckenpumpe VARIANTE B: Sanierung der Schnecken wie Variante A, Anbau eines Reservepumpwerkes bestückt mit Tauchmotorpumpen für den Trockenwetter- und Regenwetterfall VARIANTE C: Sanierung der 2 Schneckenpumpen im Pumpwerk der 1. Stufe sowie von Trockenwetterschnecken inkl. einem Reserveaggregat im Pumpwerk der 2. Stufe für 2,4 m 3 /s und Neubau eines Regenwasserpumpwerkes für 9,6 m 3 /s mit Tauchmotorpumpen VARIANTE D: Erneuerung der 5 Schneckenpumpen in beiden Pumpwerken wie Variante C und Neubau eines Regenwasserpumpwerkes für 9,6 m 3 /s mit Schneckenpumpen. Nach intensiver Diskussion und eingehenden Wirtschaftlichkeitsuntersuchungen /3/ wurde der Variante D neues Schneckenpumpwerk für den Regenwasserfall sowie neue Schneckenpumpen in beiden bestehenden Pumpwerken ( Stufe) der Vorzug gegeben. Diese Lösung lässt sich nur bauabschnittsweise durchführen, um einen Betrieb der bestehenden Anlagenteile aufrechterhalten zu können. Der Umbau findet in mehreren Bauabschnitten statt: 16 5/2011

5 1. Bauabschnitt: Bau eines Schneckenpumpwerks für Regenwasser einschl. Abschlagsbauwerk mit Verbindungskanal DN 2200 und neuer MS- und NS-Versorgung 2. Bauabschnitt: Rückbau und Sanierung der alten Schneckenpumpwerke und Erneuerung der 5 verbleibenden Schneckentrogpumpen sowie der Lüftungs- und Heizungstechnik 3. Bauabschnitt: Abbruch der Rechen- und Sandfanghalle, Neubau einer Rechenhalle und Erneuerung der maschinentechnischen Einrichtungen. Beim Bauen im Bestand sind immer wieder Risiken vorhanden, die sich kostenmäßig auswirken können. Vor der eigentlichen Entscheidung des Abrisses von bestehenden Hallengebäuden, wie z. B. im Bereich des Schneckenpumpwerks und des Rechengebäudes, wurde zur Bewertung des Bestands ein Beton- bzw. Stahlgutachten von der Gesamthochschule Kassel durchgeführt, um neben dem Rohbau auch bestehende Stahlkonstruktionen sowie die Dachaufbauten bewerten und als Grundlage in eine Wirtschaftlichkeitsbetrachtung einfließen lassen zu können. Des Weiteren wurde bei der Entscheidung, ob neue Schneckenpumpen in das bestehende Pumpwerk eingesetzt werden können, ein detaillierter Wirtschaftlichkeitsvergleich der verschiedenen Lösungskonzepte vorangestellt. In diesem Fall haben sich die Investitionskosten der Lösungskonzepte Sanierung oder neue Schneckenpumpen nur unwesentlich unterschieden, weswegen der Neubaulösung der Vorzug gegeben wurde (Tabelle). Beim Vergleich der verschiedenen Lösungen mit Tauchmotorpumpen in Nassaufstellung gemäß den Variante A bis C mit der Variante D ausschließlich mit Schneckenpumpen wurden auch verschiedenste Erfahrungen von Anlagenbetreibern in den Diskussionsprozess mit einbezogen. Trotz teilweise deutlicher wirtschaftlicher Vorteile bei den Investitionskosten wurden demzufolge den seit über 25 Jahren bewährten und robusten Schneckentrogpumpen insgesamt der Vorzug gegeben. Nach den jahrelangen positiven Erfahrungen mit den robusten Kletterrechen wurde im Rahmen der Planung der Einsatz eines neuen Lochsiebbandrechens mit einem Lochdurchmesser von 8 mm gewählt, der sich derzeit auf vielen Kläranlagen bereits bewährt hat. Für die Rechengutförderung wurden Schwemmrinnen und Rechengutwaschpressen sowie reversible Muldenförderbänder berücksichtigt. Der Hauptvorteil der Schwemmrinnen, die mit Betriebswasser oder zugepumptem Abwasser betrieben werden, liegt darin, dass das Rechengut ohne mechanische Hilfsmittel (Förderschnecken) mit Wasser transportiert wird und damit Betriebsprobleme minimiert wer- wwt-online.de SPECIAL PUMPEN 17

6 SPECIAL PUMPEN Wirtschaftlichkeitsvergleich Varianten A bis D Investkosten Variante A Variante B Variante C Variante D Sanierung aller Schnecken inkl. Reserve Q TW Sanierung aller Schnecken und Neubau 2 Q TW Teil-Sanierung und Neubau Q RW mit Tauchpumpen Teil-Sanierung und Neubau Q RW mit Schneckenpumpen Bautechnik 0,728 Mio. 0,820 Mio. 1,034 Mio. 1,114 Mio. E-, MSR-Technik und Maschinentechnik 1,374 Mio. 1,570 Mio. 1,570 Mio. 1,399 Mio. Summe (brutto): 2,101 Mio. 2,390 Mio. 2,604 Mio. 2,513 Mio. Betriebskosten Summe (brutto): 248 T /a 253 T /a 253 T /a 245 T /a Prozent 101,2 % 103,3 % 103,3 % 100 % den. Die Rechengutwaschpressen sind auf das zusätzliche Schwemmrinnenwasser abzustimmen. Die anschließenden reversiblen Muldenförderbänder ermöglichen eine punktgenaue Beschickung der Rechengutcontainer und damit eine optimale Ausnutzung des Vorhaltevolumens. Innerhalb des Rechengebäudes wird ebenfalls die Sandgutförderung- und -behandlung untergebracht. Dabei wurde das bewährte System der Sandheber und Sandklassierer lediglich erneut und die Beschickung der Sandcontainer mit reversiblen Muldenförderbändern optimiert. Im Rahmen der Sanierungsarbeiten wurden zudem die Hallenaufbauten der Rechenund Sandfanghalle zurückgebaut, wobei lediglich die Rechenhalle einen neuen Stahlhallenaufbau erhält und der Sandfang zukünftig mit einer Aluminiumabdeckung abgeschottet wird. Im Hinblick auf die Anforderungen der Abluftemissionen ist darauf hinzuweisen, dass zur Minimierung der Luftvolumenströme und der hiermit einhergehenden relativ hohen Investitions- bzw. Betriebskosten ein Raumkonzept mit einer weitergehenden Kapselung der Geruchsquellen entwickelt wurde. Neben einer Abdeckung der Zulaufgerinne sowie Kapselung der Feinrechen werden die Rechengutcontainer direkt abgesaugt. Zeit wird die Pumpanlage nicht beaufschlagt. Bei Rheinhochwasser ab einem Pegelstand von H > 4,8 m Pegel Ruhrort werden gemäß Betriebsanweisung die Hochwassersicherungsschieber durch Betriebspersonal geschlossen und die Hochwasserpumpanlage geht in Betrieb (Bild 4). Insgesamt fördern vier Kreiselpumpen mit einer Gesamtförderleistung von derzeit l/s das Wasser über zwei Druckrohrleitungen zum Hochwassersicherungsschacht und stellen somit die Vorflut bei Rheinhochwasser sicher. Modernisierungsziele Aufgrund des fortgeschrittenen Alters waren erste Ausfälle einzelner Pumpenaggregate zu verzeichnen und es zeichnete sich ab, dass die Betriebssicherheit in absehbarer Zeit nicht mehr im erforderlichen Maß gegeben ist. Aufgrund der hohen wasserwirtschaftlichen Bedeutung war eine komplette Ertüchtigung der maschinentechnischen und elektrotechnischen Ausrüstung auf den Stand der Technik geboten. Der Planung /4/ vorangestellt wurde eine Überprüfung der hydraulischen Leistungsfähigkeit des Kanalnetzes verbunden mit einer Überprüfung der derzeitigen Förderleistung und einer Optimierung der Pumpenschaltpunkte. Folgende Modernisierungsziele waren umzusetzen: komplette Erneuerung der Pumpenaggregate und der Rohrleitungen und Armaturen innerhalb des Pumpwerks Bereinigung von ungünstigen Rohrleitungsführungen, die aus früheren Umbaumaßnahmen resultierten Optimierung der Zulaufsituation zum Pumpensumpf Verbesserung der Arbeitssicherheit und der Zugänglichkeit für das Betriebspersonal bei Montage- und Instandsetzungsarbeiten komplette Erneuerung der EMSR-Technik Einbinden der Pumpanlage in das Notstromkonzept der Kläranlage. Beispiel 2: Ertüchtigung Hochwasserpumpanlage PAH Diergardt-Mevissen Die durch die Linksniederrheinische Entwässerungsgenossenschaft (LINEG) betriebene Hochwasserpumpanlage PAH Diergardt-Mevissen liegt in Duisburg-Rheinhausen in Nähe der Kläranlage Rheinhausen. Der Pumpanlage fließt Vorflut-, Grund- und Regenwasser über zwei Hauptsammler zu. Das Hochwasserpumpwerk wurde in den 30er Jahren errichtet, da aufgrund eingetretener Bergsenkungen, verursacht durch den Steinkohlebergbau, eine Ableitung im Freigefälle in den Rhein bei Hochwasser nicht mehr sichergestellt werden konnte (Bild 3). Bei Normalwasserständen im Rhein fließt das Vorflut- und Regenwasser in freiem Gefälle über mehrere Hochwassersicherungsschächte in den Rhein ab. Während dieser Anlagenkennlinien der Pumpen P1 bis P3 für minimale Bild 5 Optimierung der Anströmverhältnisse im Pumpensumpf Bild 6 mittels CFD-Simulation mit Darstellung der Strömungsbahnen Quelle: hydrogravbis 18 5/2011

7 Bestandsaufnahme und Planungsgrundlagen Der eigentlichen Sanierungsplanung wurde eine vermessungstechnische Bestandsaufnahme des Bauwerksbestands vorweggestellt. Die hierbei gemachten Erfahrungen zeigten schnell die Wichtigkeit eines detaillierten Aufmaßes und guter Bestandspläne, insbesondere für die spätere Ausführungsplanung und Bauausführung. Bei einer Folgemaßnahme wurde daher entschieden, die komplette Pumpanlage mit dem Laser-Scan- Verfahren dreidimensional aufzumessen und hieraus sehr genaue Bestandspläne zu erarbeiten. Im Zuge der Grundlagenermittlung wurden Anlagenkenndaten und Betriebsaufzeichnungen gesichtet und ausgewertet. Betriebserfahrungen der vergangenen Jahre wurden beim Pumpwerksbetrieb erfragt und bei der Modernisierungsplanung berücksichtigt. Lösungskonzepte Hydraulische Leistungsfähigkeit Kanalnetz, Förderleistung und Pumpenschaltpunkte Um eine wirtschaftliche Pumpenauslegung zu erreichen, wurde über eine hydraulische Berechnung der Zulaufkanäle die derzeitige Bemessungsförderleistung des Pumpwerks überprüft, um bei Bedarf diese nach oben oder unten anzupassen. Bei der Auslegung von Hochwasserpumpwerken ist die Frage nach der Wahrscheinlichkeit des gleichzeitigen Auftretens von Maximalabflüssen in der Kanalisation und Hochwasser im Vorfluter (Rhein) entscheidend, da diese naturgemäß zu unterschiedlichen Jahreszeiten auftreten. Maßgebende Abflussereignisse im Kanalnetz sind infolge sommerlicher Starkregen mit geringer Vorwarnzeit festzustellen, wenn die Rhein- Wasserstände meist relativ niedrig und konstant sind. Hoch intensive Niederschläge führen oft schon nach 10 bis 15 Minuten zu Abflussspitzen, die maximale Ereignisdauer liegt im Stunden-Bereich. Die Hochwässer des Rheins ereignen sich dagegen oft im Winterhalbjahr bei länger anhaltenden Niederschlagsperioden oder der Schneeschmelze. Die Ereignisdauer liegt dann im Bereich von Tagen bis Wochen. Hier bieten im Vorfeld durchgeführte statistische Untersuchungen Optimierungspotenziale bei der Festlegung der Fördermenge bei Hochwasserpumpanlagen. Im vorliegenden Fall der Hochwasserpumpanlage PAH Diergardt-Mevissen ist jedoch zu beachten, dass neben den Zuflüssen aus der Kanalisation die Zuflüsse aus den Vorflutpumpanlagen und Grundwasserpumpanlagen die Förderleistung maßgeblich beeinflussen. Diese machen je nach Lastfall durchaus die Hälfte bis zu 2 3 des Zuflusses zur Hochwasserpumpanlage aus. Bei länger wwt-online.de SPECIAL PUMPEN 19

8 SPECIAL PUMPEN Die Umbauphasen Bild 7 anhaltenden Hochwässern im Rhein und hohen Grundwasserspiegeln sind der gleichzeitige Betrieb der Grundwasserpumpanlagen und der Hochwasserpumpanlage wahrscheinlich. Eine zeitliche Überlagerung der Abflussereignisse ist also im vorliegenden Fall wahrscheinlicher, als in Einzugsgebieten, die primär durch Kanalisationszuflüsse geprägt sind. Diese Tatsache wurde bei der Wahl der maßgeblichen Ereigniskombinationen für die Pumpenauslegung auf der sicheren Seite liegend berücksichtigt. Eine Optimierung der Förderleistung konnte daher nur im begrenzten Maß erreicht werden. Aus den Kanalbestandsdaten, den Sonderbauwerken, den Kenndaten der Vorflut- und Grundwasserpumpanlagen sowie der vorhandenen bzw. geplanten Pumpenstaffelung wurde ein Rechennetz aufgebaut, auf dessen Basis für insgesamt 16 Lastfälle hydrodynamische Kanalnetzberechnungen durchgeführt wurden. Hieraus wurden erstmalig Überflutungswahrscheinlichkeiten im Kanalnetz unter Einbeziehung der Hochwasserpumpanlage ausgewiesen und es konnten Aussagen zur erforderlichen Förderleistung und den optimierten Pumpenschaltpunkten getroffen werden. Das Fazit der Modellrechnungen für den Istund den Planungszustand lässt sich wie folgt zusammenfassen: Durch eine Optimierung der Pumpenstaffelung und Pumpenschaltpunkte konnte die installierte Förderleistung geringfügig auf l/s reduziert werden. Die Pumpenschaltpunkte wurden gegenüber den bisherigen Schaltpunkten leicht abgesenkt, um den Einstau im Kanalnetz möglichst gering zu halten und Rückhaltevolumen für größere Niederschlagsereignisse zu aktivieren. Die erforderlichen Überstaunachweise im vorgeschalteten Kanalnetz wurden erstmalig im Zusammenspiel mit der Hochwasserpumpanlage erbracht. Die derzeit installierte Pumpe P4 geht nur in absoluten Zuflussspitzen für kurze Zeit in Betrieb; anhand dieser Information konnte eine neue Pumpenstaffelung mit drei baugleichen Pumpen gewählt werden; die vierte Pumpe konnte als Reserve pumpe deklariert werden. Die zwingende Erfordernis einer Reservepumpe wurde durch einen Lastfall Pumpenausfall nachgewiesen. Der Schließzeitpunkt des Hochwasserschiebers wurde überprüft und dahingehend optimiert, dass das Hochwasserpumpwerk möglichst spät, aber ohne negative Auswirkungen auf das Kanalnetz, in Betrieb gehen kann; der Personaleinsatz zum Schließen der Hochwasserschieber konnte damit auf das notwendige Maß reduziert werden. 20 5/2011

9 Kosten + Technologien Ohne eine im Vorfeld durchgeführte Kanalnetzberechnung hätte eine Optimierung in den o. g. Punkten nicht erreicht werden können, es wurde jedoch auch klar, dass das bisherige Betriebskonzept und die Pumpwerksauslegung durchaus sinnvoll gewählt war. Staffelung der Pumpen Anhand der Ergebnisse der Kanalnetzberechnung konnte eine vereinfachte Pumpenstaffelung gewählt werden: Pumpe P1: 100 bis 370 l/s drehzahlgeregelt Pumpe P2: 100 bis 370 l/s drehzahlgeregelt Pumpe P3: 370 l/s Pumpe P4: 370 l/s Reservepumpe. Die Grundlastpumpe P1 für den schwankenden Trockenwetterzufluss wurde ebenso wie die Pumpe P2 drehzahlgeregelt ausgeführt, um eine kontinuierliche Förderung bei kleinen und mittleren Regenereignissen zu ermöglichen und um P1 und P2 wechselseitig im Trockenwetterbetrieb drehzahlgeregelt betreiben zu können. Mit zwei drehzahlgeregelten Pumpen ist es möglich, dass breite Kennlinienspektrum (aufgrund 6 m schwankendem Rheinwasserstand) mit der jeweils energieoptimalen Drehzahl abzudecken, anstatt auf ein Androsseln der Schieber auf der Druckseite zurückgreifen zu müssen, um ein Herausfahren der Pumpen aus der Kennlinie zu verhindern (Bild 5). Pumpentechnik Die Installation neuer Pumpenaggregate bietet die Möglichkeit einer verfahrenstechnischen Optimierung in folgenden Punkten: Installation von vier baugleichen Pumpen zur Vereinfachung der Lager- und Ersatzteilvorhaltung Minimierung des Wirkungsgradabfalls durch Einsatz einer Hydraulik mit nachstellbarer Schleißwand hohe Verfügbarkeit durch trockenlaufsichere und wartungsfreie hydrodynamische Wellenabdichtungen; gute Entlüftung der Saugleitungen schnelle Demontage und Montage der Läufereinheit bei vertikaler Aufstellung kein Ausrichten des Motors erforderlich durch Zentrierflansch überflutbare Motoren ersetzen hochwasserfrei aufgestellte Motoren mit langer Antriebswelle hohe Verfügbarkeit durch Vertauscherschaltung bei der Pumpenansteuerung und einer Vergleichmäßigung der Pumpenlaufzeiten. Fließgeschwindigkeiten in den Saug- und Druckrohrleitungen Fließgeschwindigkeiten in den Saug- und Druckleitungen wirken sich direkt auf die hydraulischen Verluste und die Leistungsaufnahme der Pumpen aus und wurden deshalb im Zuge der Sanierungsplanung speziell betrachtet und optimal abgestuft. Die saugseitigen Fließgeschwindigkeiten bewegen sich zwischen 0,7 und 1,0 m/s bei minimalem Zufluss und 2,4 bis 4,0 m/s bei maximalem Zufluss. Die druckseitigen Fließgeschwindigkeiten liegen bei 1,0 und 4,4 m/s bei maximalem Zufluss. In der Sammeldruckrohrleitung DN 600 bis DN 800 innerhalb des Pumpwerkes werden 2,7 m/s bei maximalem Zufluss zugrunde gelegt. In der anschließenden Ablaufleitung zum Rhein mit einer Nennweite DN und DN wurden keine baulichen Veränderungen vorgenommen, hier werden Fließgeschwindigkeiten von 1,4 bis 2,4 m/s erreicht. Anströmverhältnisse im Pumpensumpf Die Verhältnisse im Pumpensumpf sind durch sehr beengte Platzverhältnisse, eine ungünstige Geometrie und Anströmung und ein beschränktes Pumpensumpfvolumen geprägt. Zur Optimierung der Gesamtsituation wurden folgende Maßnahmen umgesetzt: Installation einer Leitwand, um das Ansaugen von Luft und die Gefahr von Fehlströmungen im Pumpensumpf zu minimieren Durchführung einer strömungstechnischen Simulation (CFD-Simulation) zur Optimierung der geometrischen Abmessungen der Leitwand Verlängerung der Saugrohre nach unten und Installation von Leitkreuzen zur Minimierung von radialen Drallströmungen in den Saugrohren; Ausführung der Saugleitung als Beschleunigungskrümmer Einsatz von Pumpen mit gutem NPSH- Verhalten Aktivierung von Kanalnetzvolumen als zusätzliches Pumpensumpfvolumen durch Veränderung der Pumpenschaltpunkte. Die Ergebnisse der CFD-Simulation (Bild 6) wurden primär zur Optimierung der Pumpenanströmung genutzt (Reduzierung von Lufteintrag und Vermeidung von radialen Drallströmungen im Ansaugstutzen). Eine Reduzierung der Energiekosten durch verminderte saugseitige Verluste konnte aufgrund der vorgegebenen Pumpensumpf- wwt-online.de SPECIAL PUMPEN 21

10 SPECIAL PUMPEN geometrie nur untergeordnet (< 5 % Energieeinsparung) erreicht werden. Arbeitssicherheit bei Montageund Instandsetzungsarbeiten Die Arbeitsbedingungen für das Betriebspersonal bei Montage- und Instandsetzungsarbeiten entsprachen nicht mehr den aktuellen Anforderungen des Arbeitsschutzes. Zur Verbesserung der Gesamtsituation tragen u. a. folgende Maßnahmen bei: Schaffung von neuen Arbeits- und Bedienebenen an Pumpen und Armaturen (Gitterrostebenen, Überstiege usw.) sichere Zugangsmöglichkeit über eine neue Treppenanlage, bisher war der Pumpenkeller nur über einen Steigbaum erreichbar Montage von Sicherheitssteigleitern zur Begehung des Pumpensumpfs Schaffung von rutschsicheren Oberflächen auf allen Laufwegen Beleuchtung des Maschinenraumes nach dem Stand der Technik Trennung der Ex-Zone Pumpensumpf vom Maschinenraum Installation eines neuen Deckenkranes für Montagearbeiten. Bauumsetzung, Umbauphasen und provisorische Zwischenzustände Obwohl die Umsetzung der Sanierungsplanung in der hochwasserfreien Zeit vorgesehen ist, ist der Betrieb des Pumpwerkes während der Umbauzeit jederzeit sicherzustellen. Als fester Bestandteil der Entwurfsplanung wurden daher bereits zu einem frühen Zeitpunkt Umbauphasen und provisorische Betriebszustände ausgearbeitet (Bild 7): Die Umbauphasen und die sich hieraus ergebenden Maßnahmen und Zwänge sind dadurch frühzeitig bekannt und fließen rechtzeitig in die Kostenberechnung und die Bauablaufplanung ein. Vorhandene redundante Druckrohrleitungen, die für den Endzustand nicht zwingend erforderlich waren, wurden in das Konzept als Umbauprovisorien eingebunden und ermöglichen Teilaußerbetriebnahmen im späteren Betrieb. Die Pumpentechnik wird abschnittsweise umgebaut, so dass vorhandene Pumpenkapazitäten für die bauzeitliche Wasserhaltung genutzt werden können; neu installierte Pumpengruppen werden frühzeitig, noch während des Umbaus, in Betrieb genommen, um die zu installierende bauzeitliche Wasserhaltung klein zu halten. Zusammenfassung Aufgrund des fortgeschrittenen Alters insbesondere der Maschinen- und EMSR-technischen Ausrüstung sind mittlerweile viele Pumpwerks- und auch Rechenanlagen modernisierungsbedürftig. Eine nachhaltige Planung beginnt mit einer detaillierten Bestandsaufnahme und sorgfältigen Grundlagenermittlung. Heutzutage sollte es selbstverständlich sein, dass in den Leistungsphasen 1 und 2 der Objektplanung gemäß HOAI die entscheidenden Grundlagen für eine betriebssichere und wirtschaftliche Lösung gelegt werden. Eine ganzheitliche Betrachtung und nicht nur die Bewertung von Einzelmaßnahmen ist Voraussetzung für eine langfristige Investitionsentscheidung. Nicht nur eine energietechnische Optimierung und ein Beitrag zum Klimaschutz ist grundsätzlich zu beachten, sondern insbesondere die Betriebserfahrungen des Betreibers über viele Jahre und ein intensiver Dialog der nicht monetären Aspekte zwischen den Projektbeteiligten sind am Anfang der Planungsphase von besonderer Bedeutung. Fragen der Zugänglichkeit der Anlagen für das Betriebspersonal sowie eine weitergehende Minimierung von Geruchs- und Lärmemissionen ist in vielen Fällen ein wesentliches Projektziel. Abhängig von den Randbedingungen der Aufgabenstellung ist eine individuelle Gesamtplanung mit einer hohen Qualität bis zur Inbetriebnahme erforderlich. LITERATUR /1/ Müller, E. A.; Kobel, B.; Künti, T.; Pinnekamp, J.; Seibert-Erling, G.; Schaab, R.; Böcker, K.: Handbuch Energie in Kläranlagen, erstellt im Auftrag des Ministeriums für Umwelt, Raumordnung und Landwirtschaft des Landes Nordrhein-Westfalen /2/ ATV-DVWK-Fachausschuss ES-3 Abwasserpumpanlagen : ATV-DVWK-A 134 Planung und Bau von Abwasserpumpanlagen, Juni 2000 /3/ Kasseler Entwässerungsbetrieb Entwurfsund Ausführungsplanung der Erweiterung der mechanischen Reinigungsstufe der Hydro- Ingenieure GmbH, Juni 2009 /4/ LINEG, Kamp-Lintfort Entwurfsplanung zur Hochwasserpumpanlage PAH Diergardt-Mevissen der Hydro-Ingenieure GmbH, Juli 2010 KONTAKT Dipl.-Ing. Klaus AlLT Hydro-Ingenieure Planungsgesellschaft für Siedlungswasserwirtschaft mbh Stockkampstraße Düsseldorf ka@hydro-ingenieure.de Dipl.-Ing. Inge BARNSCHEIDT ba@hydro-ingenieure.de Dipl.-Ing. Hans-Markus KOLL km@hydro-ingenieure.de 22 5/2011