Hydraulische Aspekte zur Wirtschaftlichkeit von Pumpen, Turbinen und Rohrleitungen in der Wasserversorgung

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Dirk Holzmann
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1 Frieder Haakh Hydraulische Aspekte zur Wirtschaftlichkeit von Pumpen, Turbinen und Rohrleitungen in der Wasserversorgung Mit ausführlichen Berechnungsbeispielen, Tabellen und Arbeitsblättern auf CD für die eigene Berechnung Für Studium und Praxis HUSS-MEDIEN GmbH Oldenbourg Industrieverlag München

2 VII Inhaltsverzeichnis 1. Einführung 1 2. Approximation von Bereitstellungsdauerlinien Von der Bereitstellungsganglinie zur Dauerlinie Approximation von Dauerlinien über Quantilwerte Lineare Approximation Approximation der Randbereiche einer Dauerlinie mittels Polynom 2. Grades Fallbeispiel Volumenberechnung bei approximierter Dauerlinie Approximation der Tagesbereitstellung durch ein Polynom Charakteristischer Verlauf der Tagesabgabe Zufällige Abgabeschwankungen Umrechnung auf die Tagesbereitstellung Verlauf der Summenkurve der Tagesbereitstellung Optimale Auslegung von Pumpen für eine Druckleitung bei gegebener Bedarfsdauerlinie minimale Förderenergie für einen Pumpensatz von 2 und mehr Pumpe bei intermittierendem Pumpenbetrieb bei linearisierter Bedarfsdauerlinie Fallbeispiel Optimierung der Pumpenstaffelung für den Betrieb mit 2 Pumpen bei diskontinuierlichem Betrieb und linearisierter Bereitstellungsdauerlinie Mathematische Herleitung Vereinfachter Ansatz aus grafischer Lösung Pumpenoptimierung beim Einsatz von 3 und mehr Pumpen Lösung mittels Tabellenkalkulationsprogramm Optimale Staffelung des Pumpensatzes bei 2 und mehr Pumpen bei kontinuierlichem Pumpenbetrieb bei linearer Approximation der Bereitstellungsdauerlinie Fahrweise möglichst kontinuierlicher Förderbetrieb" bei 2 Pumpen Fallbeispiel zum kontinuierlichen Förderbetrieb Mathematische Lösung zur Minimierung der Förderenergie bei kontinuierlicher Förderung mit 2 Pumpen Bestimmen der optimalen Pumpenstaffelung bei diskontinuierlichem Förderbetrieb und beliebiger Bereitstellungsdauerlinie Bestimmen der optimalen Pumpenstaffelung bei kontinuierlichem Förderbetrieb und beliebiger Bereitstellungsdauerlinie 52

3 VIII 4. Pumpenoptimierung unter Kostengesichtspunkten bei unterschiedlichen Energiekosten für Hochtarif und Niedertarif Grundlagen Das Optimierungsproblem für den Förderbetrieb bei HT und NT Ein Beispiel zu den Förderkosten bei 2 Pumpen unter Berücksichtigung von Hoch- und Niedertarif Ausgangsdaten Förderszenarien Lösungsalgorithmus zur Optimierung der Betriebsweise bei 2 Pumpen unter Berücksichtigung von Hoch- und Niedertarif Mögliche Betriebskombinationen bei 2 Pumpen und zugehörige Förderkosten Bestimmen der Pumpenlaufzeiten Bestimmen der Kostendauerlinie und der Jahresenergiekosten Optimierung des Pumpenfahrplans bei einem vorhandenen Pumpensatz Androsseln einer Pumpe,* ' x Rohrleitungshydraulik und Wirtschaftlichkeit Berechnung des Reibungsbeiwertes X Tabellen zur Berechnung Iterationsverfahren zur Berechnung des X -Wertes Fallbeispiel Berechnung des optimalen Rohrdurchmessers für eine Druckleitung Optimaler Rohrdurchmesser einer Druckleitung bei gegebener Bereitstellungsdauerlinie Iterationsverfahren Fallbeispiel Ersatzdurchmesser für 2 parallel verlegte Rohrleitungen Verteilung der Durchflüsse bei einem Parallelleitungssystem und äquivalenten Reibungswert parallele Rohrleitungen und mehr parallele Rohrleitungen Optimaler Rohrdurchmesser bei der Kapazitätserhöhung eines Rohrleitungssystems bei Parallelverlegung Hydraulische Grundlagen Optimum aus Durchmesser und Parallelverlegelänge L Hydraulische Leistungsfähigkeit bei Inlinersanierungen Optimaler Rohrdurchmesser und Verlegelänge bei der hydraulischen Kapazitätsanpassung durch Teilauswechslung Hydraulische Grundlagen Fallbeispiel 109

4 IX 6. Fallleitung mit Stromgewinnungsanlage (Turbine) Grundlegende Überlegungen zum Turbinenbetrieb Maximale Leistung, maximale Arbeit und Wirkungsgradverlauf Maximale Leistung Maximale Arbeit für r = const Approximation des Wirkungsgradverlaufs durch ein Polynom 2. Grades Maximale Arbeit unter Berücksichtigung des realen Wirkungsgradverlaufs Optimaler Betrieb und Auslegung im Hinblick auf die maximale Tagesarbeit Betrieb von 2 und mehr Turbinen Grundlagen ' Fallbeispiele zum Betrieb mit mehreren Turbine :1 Betrieb von 2 Turbinen Betrieb von 3 Turbinen Maximaler Ertrag beim Turbinenbetrieb bei unterschiedlicher HT-und NT-Vergütung Grundlagen Fallbeispiel Auswirkungen der HT-NT-Differenz Die Kopplung von Turbinen-und Förderbetrieb Die Problemstellung Fallbeispiel. ' Praxisbeispiel Zusammenfassung Annuitätenmethode und Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen bei Anlagen der Wasserversorgung Einführung Die Annuitätenmethode Aufzinsen und Abzinsen Fallbeispiel Teure" oder billige" Armaturen - der Einfluss des ^-Wertes Drucksteigerung oder Aufdimensionierung? Einige Grundlagen Fallbeispiel Optimaler Rohrdurchmesser für Fallleitungen Optimale Behälterbewirtschaftung bei Betrieb einer Druckerhöhungsanlage Die Aufgabenstellung Fallbeispiel Zusammenfassung 211

5 Nr. Kapitel < Seite Anhang 215 Tabellen Erläuterung zu den Excel-Arbeitsblättern Beschreibung der einzelnen Arbeitsblätter Arbeitsblätter der Mappe Pumpen_Optimum.xls" Das Arbeitsblatt Dauerlinien_Berechnung" Das Arbeitsblatt Dauerlinien_Berechnung (365)" Das Arbeitsblatt 4 Pumpen" Das Arbeitsblatt 4 Pumpen (kontinuierlich)" Das Arbeitsblatt 4 Pumpen (var. Dauerlinie)" Das Arbeitsblatt 4 Pumpen (kont. var. Dauerlinie) Das Arbeitsblatt 2 Pumpen NT HT" Das Arbeitsblatt 2 Pumpen NT HT (var. Dauerlin)" Das Arbeitsblatt DN_opt_zu 2 Pumpen NT-HT" Das Arbeitsblatt Förderkosten Optimum" Arbeitsblätter der Mappe DN_opt_2005.xls" Das Arbeitsblatt Lambda-Iteration" Das Arbeitsblatt Parallelleitung" i Das Arbeitsblatt Parallelverlegung" Das Arbeitsblatt DN-opt_Beispielfkt." Das Arbeitsblatt Auswechslung + Inliner" Das Arbeitsblatt Lambda-Iteration DN glatt" Arbeitsblätter der Mappe Turbinenbetrieb_Optimierung_a.xls" Das Arbeitsblatt Förderkosten Optimum" Das Arbeitsblatt Turbine HT NT Nebenbdg." Das Arbeitsblatt Turbinenbetrieb HT NT" Das Arbeitsblatt Arbeit und Wirkungsgrad" Das Arbeitsblatt max. Arbeit" Das Arbeitsblatt max. Arbeit oberer Bereich" Das Arbeitsblatt opt_turbinenauslegung" Das Arbeitsblatt Mehrere_opt_Turbinen" Das Arbeitsblatt Fallleitung_DEA" Arbeitsblätter der Mappe Annuitat_2.xls" Das Arbeitsblatt Annuitätenvergleich" Das Arbeitsblatt Tabelle" Das Arbeitsblatt Übersichtstabelle" 282

6 XI 2.5 Die Arbeitsblätter der Mappe Behälterbewirtschaftung_1.xls" Das Arbeitsblatt Simulation Tag" Das Arbeitsblatt Auslegung DEA" Das Arbeitsblatt Jahresverlauf Das Arbeitsblatt Normaltag" Das Arbeitsblatt Minimaltag" Das Arbeitsblatt Spitzentag" 286 Literaturverzeichnis 287 Glossar 289 Rechenhilfen 293 Arbeitsblätter für die eigene Berechung auf beiliegender CD Das Arbeitsblatt Annuitat_2.xls" Das Arbeitsblatt Behälterbewirtschaftung_1.xls" Das Arbeitsblatt DN_opt_2005.xls", Das Arbeitsblatt Praxisbeispiel.xls" Das Arbeitsblatt Pumpen_Optimum.xls" Das Arbeitsblatt Turbinenbetrieb_Optimierung_a.xls"

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