Uni Dresden, Gastvorlesung

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1 Uni Dresden, Gastvorlesung Praktische Erfahrungen bei der Modernisierung von Pumpwerken, Rechengebäuden bis hin zur 4. Reinigungsstufe 06. Juli 2012 Dipl.-Ing. Klaus Alt Folie 1

2 Vorstellung Hydro-Ingenieure GmbH Beratendes und unabhängiges Ingenieurbüro Gründung im Jahre 1982 Heute ca. 50 Mitarbeiter Hauptsitz: Düsseldorf, Niederlassung: Umsatz ca. 4,5 Mio. / Jahr Ingenieurkammer Bau Osnabrück, Kaiserslautern, Karlsruhe (Nordrhein-Westfalen, Niedersachsen) Zertifiziert nach DIN EN ISO 9001:2000 seit dem 6. September 2007 Folie 2

3 Gliederung Teil 1 Einleitung, Veranlassung Grundsätzliche Anforderungen an Pumpwerke / Rechengebäude Grundlagenermittlung, Bestandsaufnahme Praktische Beispiele Kassel, Frankfurt, Lineg Pumpwerke, Stuttgart Mühlhausen etc. Zusammenfassung Folie 3

4 Einleitung, Veranlassung Modernisierungsbedarf einer Vielzahl von Pumpwerken / Rechengebäuden fortgeschrittenes Alter der Bau-, Maschinen-, EMSR-Technik hoher Verschleißbedarf und Instandhaltungskosten Optimierungsbedarf, Energieeffizienz offensichtlich Ganzheitliche Betrachtung, nachhaltige Investitionsstrategie Folie 4

5 Grundsätzliche Anforderungen an Pumpwerke / Rechengebäude ATV DVWK Arbeitsblatt 134 (Juni 2000) Auslegung von Pumpwerken muss die gleiche Entsorgungssicherheit, wie bei Ableitung im freiem Gefälle, haben. Störungsarm, Minimum an Wartung Pumpenstaffelung, Redundanzen hydraulische Nachweise der Zulaufkanäle Mindestkugeldurchgang generelle Erweiterungsmöglichkeit bei veränderter Abwassermenge Energie Folie 5

6 Grundlagenermittlung, Bestandsanalyse Betriebserfahrungen des Betriebes bzw. Dokumentation über viele Jahre (Betreiber- Philosophie) Fotodokumentation des Bestandes Prüfung von vorhandenen Bestandsplänen auf Aktualität (bei Bedarf Vermessung oder neue Objektpläne) Erfassung der bestehenden Leistungsdaten bzw. Energiekosten im Ist-Zustand Außerbetriebnahme von Anlagenteilen zur Feststellung des baul. Sanierungsbedarfes Folie 6

7 Beispiel Klärwerk Kassel, Ausbaugröße EW Trockenwetter 2,4 m 3 /s Mischwasser 12,0 m 3 /s Mischwasserpumpwerk mit 6 Schneckenpumpwerken 2+1 Grobrechen Fa. Geiger Geigerwalzpressen belüfteter Sandfang (2-straßig) Folie 7

8 Beispiel Klärwerk Kassel Kurzbeschreibung bestehender Betriebsprobleme (Auszug) Hydraulische Engpässe bei Hochwasserstand der Fulda (Q Soll = 9,6 m 3 /s, Q Ist = 6 m 3 /s) Vorhandene Schneckenpumpen Spaans sind verschlissen, ausgewaschene Tröge sind sanierungsbedürftig Grobrechen mit Spaltweite 25 mm nicht mehr Stand der Technik Zu hohe hydraulische Belastung des Sandfangs Fazit Neukonzeption erforderlich Folie 8

9 Beispiel Klärwerk Kassel Ehemaliger Fließweg Schmutzwasser = 2,6 m 3 /s Mischwasser = 9,6 m 3 /s Folie 9

10 Beispiel Klärwerk Kassel Heutiger Fließweg Schmutzwasser = 2,6 m 3 /s Mischwasser = 9,6 m 3 /s Folie 10

11 Beispiel Klärwerk Kassel 1. BAUABSCHNITT Bau des Mischwasserpumpwerks (Q = 9,6 m 3 /s) 4 Schneckentrogpumpen DN 2800 Folie 11

12 Beispiel Klärwerk Kassel 1. BAUABSCHNITT Herstellung des Abschlagsbauwerks und des Verbindungskanals DN 2200 Öffnen der Hallenfassade des alten Rohwasserpumpwerks Folie 12

13 Beispiel Klärwerk Kassel 2. BAUABSCHNITT Beton- und GfK-Abdeckung Folie 13

14 Beispiel Klärwerk Kassel 2. BAUABSCHNITT Abbruch der Hallenaufbauten Folie 14

15 Beispiel Klärwerk Kassel Praktische Erfahrungen Bauen im Bestand = Kostenrisiko Detaillierter Wirtschaftlichkeitsvergleich verschiedener Lösungskonzepte erforderlich Betreibererfahrung ist zu berücksichtigen bei der Wahl zwischen bewährter Technik (Schneckenpumpen) und Alternativen Branchenerfahrung bietet Argumentationsgrundlage Anforderungen Abluftemissionen Folie 15

16 Beispiel Klärwerk Kassel 1. BAUABSCHNITT Einbau eines schwimmerregulierten Klappenwehrs Folie 16

17 Beispiel Klärwerk Kassel 3. BAUABSCHNITT Abbruch der Sandfang-Hallenaufbauten - Innenansicht Folie 17

18 Beispiel Klärwerk Kassel 3. BAUABSCHNITT Ausrüstung der neuen Rechenhalle 3 Feinrechen Fabrikat FSM (Spaltbreite 8 mm) Auslegung 3 x 50 % Rechengutförderung mit Transportbändern Notfallkonzept Folie 18

19 Beispiel Hochwasserpumpwerk PAH Diergardt Mevissen Förderleistung Ist Q max =1.180 l/s Zufluss Vorflut-, Grund- und Regenwasser Fortgeschrittenes Alter der Maschinen- und E-Technik (50er Jahre) hohe wasserwirtschaftliche Bedeutung Fazit Modernisierungsbedarf Folie 19

20 Beispiel Hochwasserpumpwerk PAH Diergardt Mevissen Bestandssituation Einzugsgebiet 2 Vorflutpumpanlagen (A EO = 140 ha) 2 Grundwasserpumpanlagen Regenwassernetz (A E = 19,2 ha, A red = 6,72 ha) Folie 20

21 Beispiel Hochwasserpumpwerk PAH Diergardt Mevissen Bestandsaufnahme des Pumpwerkes Folie 21

22 Beispiel Hochwasserpumpwerk PAH Diergardt Mevissen Sanierungsziele Erneuerung Maschinentechnik Erneuerung der EMSR-Technik Optimierung Rohrleitungsführung Optimierung Zulauf Pumpensumpf Verbesserung der Arbeitssicherheit Verbesserung der Zugänglichkeit Einbindung Notstromkonzept KA Folie 22

23 Beispiel Hochwasserpumpwerk PAH Diergardt Mevissen Aufgaben Hydraulischer Nachweis der Zulaufkanäle Überprüfung der Gesamtförderleistung Bestimmung der maßgebenden Ereigniskombination Auslegung und Staffelung der Pumpen (Grundlast, Maximum) Umbaukonzept mit möglichst wenig Provisorien Folie 23

24 Beispiel Hochwasserpumpwerk PAH Diergardt Mevissen Ergebnisse von 16 einzelnen Lastfallbetrachtungen Optimierung mit l/s (Überstaunachweise geführt) Pumpenstaffelung: 3 baugleiche Pumpen (3 x 370 l/s = l/s) Absenkung der Pumpenschaltpunkte (zusätzliches Rückhaltevolumen) Ausführung der 1.Pumpe mit FU, Wechsel mit 2. Pumpe planmäßig Folie 24

25 Beispiel Hochwasserpumpwerk PAH Diergardt Mevissen Folie 25

26 Beispiel Hochwasserpumpwerk PAH Diergardt Mevissen Folie 26

27 Beispiel Hochwasserpumpwerk PAH Diergardt Mevissen Prallplatte Prallplatte Fließweg Fließweg Folie 27

28 Auskömmlichkeit des Honorares Grundlagenermittlung LP 1 der Objektplanung mit 3 % i.d.r. nicht ausreichend Bestandspläne (Kanalnetz, Pumpwerk) Koordination der Vermessung Hydraulische Berechnungen Aufwandskalkulation bietet für beide Seiten eine faire Abrechnungsgrundlage (statt 3 % häufig eher % je nach besonderen Leistungen) Folie 28

29 Grundlagenermittlung, Bestandsanalyse Betriebserfahrungen des Betriebes bzw. Dokumentation über viele Jahre (Betreiber- Philosophie) Fotodokumentation des Bestandes Prüfung von vorhandenen Bestandsplänen auf Aktualität Energie Sind geeignete Stromzähler vorhanden? Dokumentation des Strombedarfes (PLT) Wirkleistungsmessung eingebaut Folie 29

30 Beispiel Hauptklärwerk Stuttgart-Mühlhausen Anschlussgröße: EW Q t : l/s Q M : l/s Biologie 3 Nachklärbecken Pumpenhaus 4 Belebungsbecken Vorgeschaltete Denitrifikation Folie 30

31 Beispiel Hauptklärwerk Stuttgart-Mühlhausen Folie 31

32 Beispiel Hauptklärwerk Stuttgart-Mühlhausen Rücklaufschlamm Q RS derzeit vorhanden l/s 4 Rohrschachtpumpen Folie 32

33 Beispiel Hauptklärwerk Stuttgart-Mühlhausen Variantenuntersuchung Anzahl Pumpen Aufstellungsart Anordnung MID Regelung RS-Menge Variante 1 4 nass FU Variante trocken Druckleitungen FU Variante nass Druckleitungen FU Variante nass Vorschacht Variante trocken Vorschacht Variante nass Vorschacht Sammeldruckleitung Plattenschieber Teleskopabzug Teleskopabzug Variante 4 4 trocken Druckleitungen FU Folie 33

34 Förderhöhe H in [m] Beispiel Hauptklärwerk Stuttgart-Mühlhausen Ermittlung Pumpen-, Anlagenkennlinie und Wirkungsgrade in Abhängigkeit der Fördermenge 20,00 19,00 18,00 17,00 16,00 15,00 14,00 13,00 12,00 11,00 10,00 9,00 8,00 7,00 6,00 5,00 4,00 3,00 2,00 1,00 0, Förderstrom Q in [l/s] Hmin[m] Hmax[m] Reduzierte PKL PKL Einzelbetrieb Parallb. 4 P Folie 34

35 Beispiel Hauptklärwerk Stuttgart-Mühlhausen Energetische Bewertung der Varianten E Verbrauch ( kwh/a ) E Kosten ( Euro/a ) Abweichung Variante % Variante % Variante % Variante % Variante % Variante % Variante % Folie 35

36 Beispiel Hauptklärwerk Stuttgart-Mühlhausen Kreislaufwasser Q KLW l/s derzeit vorhanden 3 Rohrschachtpumpen im UG Pumpenhaus 4 Folie 36

37 Beispiel Hauptklärwerk Stuttgart-Mühlhausen Variantenuntersuchung Variante K 1 3 trocken aufgestellte Pumpen im UG Pumpen- haus 4 Variante K 2.1 Je 1 Propellerpumpe im BB und Nutzung des vorhandenen Verteilergerinnes Variante K 2.2 Je 1 Propellerpumpe im BB und Förderung über Druckleitung Folie 37

38 Beispiel Hauptklärwerk Stuttgart-Mühlhausen Energetische Bewertung der Varianten E Verbrauch ( kwh/a ) E Kosten ( Euro/a ) Abweichung Variante K % Variante K % Variante K % Folie 38

39 Beispiel ZKA Kaiserslautern, Energie-und Wärmekonzept Anschlussgröße: EW 3-straßige Belebung, Schlammfaulung Volumen des Belebungsbeckens m³ Folie 39

40 Beispiel ZKA Kaiserslautern, Energie-und Wärmekonzept Energieverbrauch 2010 P el : kwh/a Spezifischer Energieverbrauch: 22,9 kwh/(ew*a) Folie 40

41 [kwh/m] Beispiel ZKA Kaiserslautern, Energie-und Wärmekonzept ZKA-KL: Stromverbrauch Stromverbrauch ZKA 2008 Stromverbrauch ZKA 2009 Stromverbrauch ZKA 2010 Folie 41

42 Beispiel ZKA Kaiserslautern, Energie-und Wärmekonzept Optimierung des Energieeintrags ins Belebungsbecken Umbau der vorgeschalteten Kaskadendenitrifikation in eine intermittierende Denitrifikation mit Rohrströmungstechnologie Einbau feinblasiger MESSNER - Plattenbelüfter Ausbau der Rührwerke Folie 42

43 Beispiel ZKA Kaiserslautern, Energie-und Wärmekonzept Belebungsbecken 2 mit MESSNER-Plattenbelüftern Folie 43

44 [kwh/m] Beispiel ZKA Kaiserslautern, Energie-und Wärmekonzept ZKA-KL: Stromverbrauch Prozessluft März - November 08: Belüftung neu / Rührwerke außer Betrieb Reduzierung von kwh/m Prozessluft 2008 Prozessluft 2009 Prozessluft 2010 Prognose Prozessluft Linear ( Prozessluft 2008) Folie 44

45 Beispiel ZKA Kaiserslautern, Energie-und Wärmekonzept Optimierung der Eigenstromerzeugung Austausch der BHKW Alt: 2 BHKW P el = 460 kw η el = 30% η th = 50% Neu: 2 BHKW P el = 400 kw η el = 41% η th = 42% Anteil Eigenstromerzeugung nach Umsetzung aller Maßnahmen Alt: 45% Neu: 90% Folie 45

46 Beispiel ZKA Kaiserslautern, Energie-und Wärmekonzept 600,00 Wärmeerzeuger (mit Ø Klärgas 2010, HW=6,4, eta_th=40%) und Verbraucher (mit TR PS=4%) 500,00 400,00 300,00 200,00 100,00 0, Defizit [MWh/M] Wärmeerz.(mit Ø Klärgas 2010, HW=6,4, eta_th=40%) [MWh/M] Verbraucher (mit berechneten Schlammwärmebedarf "TR PS 4%") [MWh/M] Wärmedefizit: 680 MWh/a Folie 46

47 Beispiel ZKA Kaiserslautern, Energie-und Wärmekonzept Wärmeeinsparpotentiale Erhöhung des Trockenrückstand Primärschlamm durch Eindickung in den Trichtern Vorklärbecken TR von 3% auf 4% Wärmeeinsparung von 150 MWh/a Umsetzung Wärmekonzepte Betriebs- und Verwaltungsgebäude Wärmeeinsparung von 180 MWh/a Folie 47

48 Beispiel ZKA Kaiserslautern, Energie-und Wärmekonzept Wärmerückgewinnung Faulschlamm Abwasser im Ablauf Nachklärbecken Prozeßluft Gemischkühlung BHKW 500 MWh/a MWh/a 120 MWh/a 60 MWh/a Ziel: Erwärmung des Rohschlammes (PS + ÜS) Folie 48

49 Beispiel Kläranlage Hilden, Ausbaugröße EW Trockenwetter m 3 /h Mischwasser m 3 /h 3-straßige Belebung, Schlammfaulung Energieverbrauch spezifisch kwh/a 40 kwh/(ew*a) Folie 49

50 Beispiel Kläranlage Hilden Stromverbrauch Turboverdichter Folie 50

51 Beispiel Kläranlage Hilden Folie 51

52 Beispiel Kläranlage Hilden Wirtschaftlichkeit Turbo- / Drehkolbengebläse betriebliche Vorteile für Turboverdichter Energieeinsparung gegenüber Ist-Zustand = kwh/a = /a Investition = 5-6 Jahre Folie 52

53 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit! Folie 53 Hydro-Ingenieure Planungsgesellschaft für Siedlungswasserwirtschaft mbh Stockkampstraße Düsseldorf