VDMA-Einheitsblatt Entwurf Juli 2015 VDMA 24658 ICS... Wasseraufbereitung und Abwasserbehandlung Prozessautomatisierung zur Effizienzsteigerung und Betriebssicherheit Hinweise für die Planung, Projektierung, Ausführung Water treatment and waste water treatment Process automation to increase operational efficiency and reliability Advice for planning, engineering and execution phases. Anwendungswarnvermerk Dieser Entwurf wird der Öffentlichkeit zur Prüfung und Stellungnahme vorgelegt. Weil das beabsichtigte VDMA-Einheitsblatt von der vorliegenden Fassung abweichen kann, ist die Anwendung dieses Entwurfes besonders zu vereinbaren. Stellungnahmen werden erbeten vorzugsweise als Datei per E-Mail an peter.gebhart@vdma.org. oder in Papierform an die Fachverbände Elektrische Automation oder Verfahrenstechnische Maschinen und Apparate im VDMA Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau e.v., Postfach 71 08 64, 60498 Frankfurt. Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau e.v. (VDMA) Fortsetzung Seite 2 bis 42 Das VDMA-Einheitsblatt ist urheberrechtlich geschützt und bleibt ausschließliches Eigentum des VDMA Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau e.v., Frankfurt/Main. Eine Änderung, Ergänzung, Bearbeitung, Einarbeitung, Übersetzung, Vervielfältigung und/oder Verbreitung bedarf der ausdrücklichen vorherigen schriftlichen Zustimmung des VDMA. Alleinverkauf der VDMA-Einheitsblätter durch Beuth Verlag GmbH, 10772 Berlin. VDMA Preisgr...
Seite 2 Inhalt Seite Vorwort... 3 1 Anwendungsbereich... 3 2 Normative Verweisungen... 3 3 Begriffe... 3 4 Entscheidungskriterien für Investitionen... 7 4.1 Lebenszykluskosten... 7 4.2 Betriebskostenanteile... 7 4.3 Schlüsselparameter... 8 4.4 Prozessleittechnik... 16 4.5 Bilanzen... 16 4.5.1 Massenbilanz... 16 4.5.2 Stoffbilanz... 17 4.5.3 Energiebilanz... 18 4.6 Wartungs- und Instandhaltungskonzepte... 18 5 Exemplarische Verfahrensschemata... 19 5.1 Trinkwasser... 19 5.2 Schwimmbadwasser... 21 5.3 Kühlwasser... 22 5.4 Prozesswasser... 23 5.5 Kesselspeisewasser... 24 5.6 Abwasser... 27 5.6.1 Industrie... 27 5.6.2 Kommunal... 27 5.6.3 Schlamm... 29 6 Entscheidungshilfe für Einzelregelung oder prozessübergreifende MSR-Lösungen... 29 6.1 Einzelregelungen und prozessübergreifende MSR-Lösungen... 29 6.2 Eingrößen- und Mehrgrößenregelung... 30 6.2.1 Eingrößenregler... 30 6.2.2 Mehrgrößenregler... 31 6.3 Zusatznutzen von prozessübergreifenden MSR-Lösungen... 31 7 Energiemanagement... 36 8 Anwendungsbeispiele... 37 8.1 Beispiel aus der Lebensmittelindustrie (Kühlwasser)... 37 8.2 Beispiel aus der Abwasserreinigung (kommunale Kläranlage)... 37 8.3 Beispiel aus der Abfallwirtschaft (Sickerwasser)... 38 9 Ausblick, Empfehlungen... 39 Erläuterungen... 41 Literaturhinweise... 42
Seite 3 Vorwort Dieses VDMA-Einheitsblatt bietet eine Handlungsanleitung für die Auswahl und den Einsatz von Automatisierungstechnik in unterschiedlichen Teilbereichen der Wasseraufbereitung sowie Abwasser- und Schlammbehandlung. Es soll dazu beitragen, dass bei der Planung, Projektierung und Ausführung der Mess-, Steuer- und Regelungstechnik (MSR-Technik) die wirtschaftlich und technisch optimalen Systeme und Konfigurationen zum Einsatz kommen. Zielgruppen sind u.a. Planer, Anlagenbauer, Anlagenausrüster, Automatisierer und Anlagenbetreiber. Betrachtet werden in den einzelnen Abschnitten die Aspekte der Energie- und Prozesseffizienz, Betriebssicherheit sowie der Anlagenverfügbarkeit. Dabei wird unter Betriebssicherheit die zuverlässige technische Prozessführung verstanden. Die geltenden Vorschriften für Arbeitssicherheit und funktionale Sicherheit müssen eingehalten werden (siehe Abschnitt 2). 1 Anwendungsbereich Dieses VDMA-Einheitsblatt gilt sowohl für kommunale als auch für industrielle Anlagen zur Behandlung von: Trinkwasser Schwimmbadwasser Kühlwasser Prozesswasser Kesselspeisewasser und Kondensat Abwasser aus Kommunen und Industrie Schlamm Für die vorgenannten Anlagentypen sind in den Abschnitten 4, 5 und 6 beispielhafte Verfahrenschemata aufgeführt, die zeigen wie die Prozessautomatisierung zur Energieeffizienz, Betriebssicherheit und Ressourcenschonung beiträgt. 2 Normative Verweisungen Die folgenden Dokumente, die in diesem Dokument teilweise oder als Ganzes zitiert werden, sind für die Anwendung dieses Dokuments erforderlich. Bei datierten Verweisungen gilt nur die in Bezug genommene Ausgabe. Bei undatierten Verweisungen gilt die letzte Ausgabe des in Bezug genommenen Dokuments (einschließlich aller Änderungen). DIN 19643, Teil 1 Aufbereitung von Schwimm- und Badebeckenwasser vom April 1997 DIN 31051, Grundlagen der Instandhaltung VDI 3803, Raumlufttechnische Anlagen, Bauliche und technische Anforderungen ATV-DVWK-M 260, Erfassen, Darstellen, Auswerten und Dokumentieren der Betriebsdaten von Abwasserbehandlungsanlagen mit Hilfe der Prozessdatenverarbeitung (2001) VDMA 34160, Prognosemodell für die Lebenszykluskosten von Maschinen und Anlagen 3 Begriffe Wassertypen 3.1 Trinkwasser Trinkwasser ist alles Wasser im ursprünglichen Zustand oder nach Aufbereitung, das zum Trinken, zum Kochen, zur Zubereitung von Speisen und Getränken oder insbesondere zu folgenden Zwecken bestimmt ist: Körperpflege/-reinigung, Reinigung von Gegenständen, die bestimmungsgemäß mit Lebensmitteln in Kontakt kommen und solchen, die bestimmungsgemäß nicht nur vorübergehend mit dem menschlichen Körper in Kontakt kommen. Dazu zählen nicht Mineralwässer/Heilwässer.
Seite 4 Trinkwasser muss den allgemeinen Anforderungen sowie den mikrobiologischen und chemischen Anforderungen gemäß Trinkwasserverordnung entsprechen. 3.2 Schwimmbadwasser Schwimmbadwasser ist Wasser zum menschlichen Gebrauch, das den hygienischen, chemischen und ästhetischen Anforderungen gemäß DIN 19643 Teil 1 entspricht. 3.3 Kühlwasser Kühlwasser ist Brauchwasser, das entsprechend den Anforderungen des Prozesses in unterschiedlichem Maße aufbereitet ist. 3.4 Prozesswasser Prozesswasser ist im Prozess anfallendes und dann aufbereitetes, in den Prozess zurückgeführtes Wasser. Dieses Prozesswasser ist kein Abwasser im Sinne des Begriffs 3.6 Wegen der großen Prozessvielfalt wird in diesem VDMA-Einheitsblatt exemplarisch die Behandlung von Prozesswasser aus Galvanikbetrieben betrachtet. 3.5 Kesselspeisewasser Als Kesselspeisewasser wird Wasser bezeichnet, das in einem Speisewasserbehälter vorgehalten wird und kontinuierlich einem Dampfkessel zugeführt wird. Das Kesselspeisewasser wird so aufbereitet, dass für den Betrieb des Kessels schädliche Bestandteile des Wassers entfernt oder in Stoffe umgesetzt werden, die keine nachteilige Wirkung auf den Kesselbetrieb haben. 3.6 Abwasser Abwasser ist Wasser, bestehend aus jeglicher Kombination von abgeleitetem Wasser aus Haushaltungen, Industrie- und Gewerbebetrieben, Landwirtschaft, Oberflächenabfluss und unbeabsichtigtem Fremdwasserzufluss. 3.7 Schlamm Schlamm ist ein im Prozess anfallendes Gemisch aus Wasser und Feststoffen. Automatisierungstechnik 3.8 Automatisierungspyramide Die Automatisierungspyramide dient der Systematisierung von Techniken und Systemen in der Automatisierungstechnik in einem mehrstufigen Ebenenmodell. Üblicherweise werden folgende Ebenen unterschieden: Feldebene, Steuerungsebene, Betriebs- und Prozessleitebene sowie Unternehmensebene. Der eigentliche Behandlungsprozess bildet die Prozessebene und ist nicht Bestandteil der Automatisierungspyramide. Bild 1 Automatisierungspyramide Quelle: nach Roland Berger, Globale Studie zur Automatisierungsindustrie 2015, Januar 2010
Seite 5 Die Feldebene dient als Schnittstelle zum Behandlungsprozess (Prozessebene) und umfasst Sensoren, Aktoren sowie dezentrale Ein/Ausgabemodule, incl. Feldbus. Oberhalb der Feldebene ist die Steuerungsebene mit speicher-programmierbaren Steuerungen (SPS) angesiedelt, in der die Mehrzahl der Steuerungsvorgänge und ein großer Teil der Prozessregelungen ablaufen. Zur Vor-Ort-Bedienung werden häufig Human-Machine- Interface-Panels (HMI) eingesetzt. Die zentrale Bedienung und Beobachtung erfolgt in der Prozessleitebene, in der auch weitere Funktionen, wie z.b. Rezeptverwaltung und Messwertarchivierung sowie Experten- und Assistenzsysteme für regelungstechnische Aufgaben, zu finden sind. Bedingt durch die zunehmende Verbreitung von IT-Systemen verschmilzt die Prozessleitebene zunehmend mit der Betriebsleitebene (SCADA Supervisory Control and Data Acquisition, MES Manufacturing Execution System, MIS Management Information System, LIMS Laboratory Information Management Systems), die im Unternehmen für Produktionsfeinplanung, Produktionsdatenerfassung, Ermittlung von KPI (Key Performance Indicator), Materialmanagement sowie Qualitätsmanagement zuständig ist. Die Unternehmensebene (ERP Enterprise Ressource Planning) hat als Hauptaufgabe die Produktionsplanung und Bestellabwicklung im Unternehmen. 3.9 Mess-, Steuer-, Regeltechnik Die Mess-, Steuer- und Regeltechnik ist ein elektrotechnischer Wissenschafts- und technischer Anwendungszweig, der sich u.a. mit Entwicklung, Bau, Optimierung und Überprüfung von Mess-, Steuer- und Regelgeräten aller Art befasst. Auf Mikroelektronik basierte Systeme ermöglichen z.b. die präzise Einhaltung vieler Einzelwerte in Produktionsanlagen, Maschinen und Apparaten. 3.10 Steuerung / Regelung Anlagen zur Wasseraufbereitung und Abwasserbehandlung erfordern eine genaue Einhaltung der vorgegebenen Prozessbedingungen. Aus diesem Grund ist es erforderlich, den Prozess kontinuierlich zu beobachten, evtl. auftretende Abweichungen von einem gewünschten Verhalten festzustellen und diesen Abweichungen in geeigneter Art und Weise entgegenzuwirken. Obwohl aus systemtheoretischer Sicht große Unterschiede zwischen einer Steuerung und einer Regelung bestehen, werden die beiden Begriffe im Alltagsgebrauch häufig nicht genau unterschieden. Bei der Steuerung fehlt, im Gegensatz zur Regelung, die kontinuierliche Rückkopplung der Ausgangsgröße auf den Behandlungsprozess. Das Steuern bzw. die Steuerung ist ein Vorgang in einem System, bei dem eine oder mehrere Größen als Eingangsgrößen andere Größen als Ausgangsgrößen aufgrund der dem System eigenen Gesetzmäßigkeiten beeinflussen. Kennzeichen für das Steuern ist der offene Wirkungsweg oder ein geschlossener Wirkungsweg, bei dem die durch die Eingangsgrößen beeinflussten Ausgangsgrößen nicht fortlaufend und nicht wieder über dieselben Eingangsgrößen auf sich selbst wirken (DIN 19226 Teil 1). Das Regeln bzw. die Regelung ist ein Vorgang, bei dem fortlaufend eine Größe, die Regelgröße (die zu regelnde Größe), erfasst, mit einer anderen Größe, der Führungsgröße, verglichen und im Sinne einer Angleichung an die Führungsgröße beeinflusst wird. Kennzeichen für das Regeln ist der geschlossene Wirkungsablauf, bei dem die Regelgröße im Wirkungsweg des Regelkreises fortlaufend sich selbst beeinflusst (DIN 19226 Teil 1). Legende w: Führungsgröße u: Stellgröße y: Regelgröße z: Störgröße Bild 2 Unterscheidung Steuerung/Regelung
Seite 6 3.11 Zentrale / dezentrale Regelung Im Gegensatz zur zentralen vernetzten Regelung von Prozessen werden bei der dezentralen Regelung Regelkreise softwareseitig nicht direkt miteinander in Verbindung gesetzt. Die Regelkreise beeinflussen sich nur indirekt durch ihre Querkopplungen. Oftmals ist bei dezentralen Regelungsprozessen auch die ausführende Hardwaretechnik (SPS usw.) räumlich voneinander getrennt (z.b. separate Fällmitteldosierstationen). 3.12 Fernwirktechnik Unter Fernwirken werden steuerungstechnische, regelungstechnische oder sicherungstechnische Aufgaben verstanden, die aus der Ferne, also über ein Kommunikationsnetz, ausgeführt werden. Es werden spezielle Datenübertragungsprotokolle genutzt, um die Prozessdaten sicher über Weitbereichsnetze (Wide Area Networks, WAN) geringer Bandbreite und Übertragungsqualität zu übertragen. 3.13 Protokollierung Betreiber von wassertechnischen Anlagen sind dazu verpflichtet, ihre Betriebsführung zu dokumentieren. Alle relevanten Betriebsdaten müssen in verschiedenen Verdichtungsstufen protokolliert und archiviert werden. Insbesondere in Deutschland gehen die im ATV-DVWK Merkblatt M 260 definierten Anforderungen an die Abwassertechnik z.t. deutlich über die anderer Branchen hinaus. Sonstige Begriffe 3.14 Massenbilanz Relation der Massenströme, die einem Prozess zugeführt werden bzw. diesen verlassen. Die Massenbilanz beruht auf dem Erhaltungssatz für Massen, der besagt, dass sich die Masse bei chemischen, physikalischen und biologischen Umsetzungen nicht ändert. 3.15 Stoffbilanz Relation der Stoffströme, die einem Prozess zugeführt werden bzw. diesen verlassen. Die Stoffbilanz ist eine auf den Stoff bezogene Betrachtung einer Massenbilanz. 3.16 Energiebilanz Relation der Energieströme, die einem Prozess zugeführt bzw. von diesem abgegeben werden. 3.17 Bilanzkoeffizient BK x Verhältnis der Konzentration eines beliebigen Stoffes X im Hauptstoffstrom vor und nach Passieren einer Anlage oder eines Anlagenteils. 3.18 Lastabwurf Zu- und Abschalten von Verbrauchern und Erzeugern von elektrischer Energie anhand einer Energiebetrachtung. 3.19 Biochemischer Sauerstoffbedarf BSB Wirkparameter, der ein Maß für den biologisch abbaubaren Anteil der organischen Belastung eines Abwassers darstellt. 3.20 Chemischer Sauerstoffbedarf CSB Wirkparameter, der ein Maß für die organische Belastung eines Abwassers darstellt. 3.21 Gesamter organischer gebundener Kohlenstoff TOC Konzentration des in gelösten und suspendierten organischen Stoffen enthaltenen Kohlenstoffes.
Seite 7 4 Entscheidungskriterien für Investitionen In der Praxis werden Investitionsentscheidungen oftmals aus dem Blickwinkel der reinen Investitionskosten getätigt und die Folgekosten außer Acht gelassen. Eine Betrachtung der über die Lebensdauer anfallenden Kosten zeigt, dass eine Entscheidung gemäß den Lebenszykluskosten insgesamt wirtschaftlicher sein kann. Investitionsentscheidungen müssen die gesetzlichen Randbedingungen, insbesondere bezüglich der Qualitätsanforderungen berücksichtigen. Die folgenden Ausführungen gelten sowohl für Neu- als auch für Ersatzinvestitionen. 4.1 Lebenszykluskosten Unter Lebenszykluskosten wird die Summe aller zum bestimmungsgemäßen Gebrauch einer geeignet ausgelegten Maschine oder Anlage erforderlichen Aufwendungen von der Anschaffung bis zur Entsorgung verstanden (VDMA-Einheitsblatt 34160). Dabei ist z.b. die Energieeffizienz mittels Mess-, Steuer- und Regeltechnik und Energiemanagementsystemen transparent zu machen und konsequent zu implementieren. Die betriebswirtschaftliche Bewertung von Energieeffizienz kann mittels einer Lebenszykluskosten-Betrachtung erfolgen. Bild 3 Lebenszykluskosten Quelle: Festo AG & Co. Esslingen Für die Berechnung ist ein vollständiger Lebenszyklus zu betrachten: Anschaffungs-und Installationsphase, Nutzungs- sowie Entsorgungsphase sind einzubeziehen. Für diese Phasen sind alle relevanten betriebswirtschaftlichen Kostenkategorien zu berücksichtigen: Personal, Material, Energie, bezogene Leistungen, Anlagen, Finanzierung sowie Steuern und Abgaben. Neben den finanziellen und technischen Kriterien gibt es weitere, nicht quantifizierbare Kriterien, wie z.b. betriebliche Sicherheit, Unternehmensphilosophie, strategische Ausrichtung des Unternehmens und Umweltschutz, die hier nicht weiter behandelt werden. 4.2 Betriebskostenanteile Die Tabelle 1 verdeutlicht für die in diesem VDMA-Einheitsblatt aufgeführten Anlagentypen die Betriebskostenanteile, die gezielt zu betrachten sind, um Einsparpotenziale zu erkennen und zu realisieren.
Seite 8 Parameter Personal/ Service Tabelle 1 Anwendungsspezifische Betriebskostenanteile Abwasser Schlamm x xxx xx x xx xxx x x xx xxx xx xxx x x Energie xxx xxx x xxx x xxx xxx Gebühren, Abgaben xx xx x xxx x xx xx xx x xx - - xx xx Erläuterung: xxx sehr relevant; xx relevant, x weniger relevant, - nicht relevant 4.3 Schlüsselparameter Grundlage für Investitionsentscheidungen ist die Erfassung der in den nachstehenden Tabellen enthaltenen relevanten Schlüsselparameter. Schlüsselparameter sind Mess-, Steuer- und Regelparameter. Anhand von exemplarischen Verfahrensschemata wird die Anordnung dieser Schlüsselparameter in Abschnitt 5 gezeigt. In der Tabelle 2 sind ausschließlich online ermittelbare Parameter dargestellt. Zusätzlich kann es nötig sein, Laborwerte zu erheben. Tabelle 2 Anwendungsbezogene Schlüsselparameter Abwasser Schlamm x x x x - x x Durchfluss x x x x x x x Temperatur x x x x x x x Druck x (x) (x) (x) x x x Füllstand x x x x x x x x (x) x (x) x x - Trübung x - (x) (x) - x - - - (x) (x) - x x ph-wert x x x (x) x x x Trinkwasser Schwimmbadwasser Kühlwasser Prozesswasser Kesselspeisewasser Betriebsstoffe Technische Aggregate Schlüsselparameter Trinkwasser Schwimmbadwasser Kühlwasser Prozesswasser Kesselspeisewasser Leistungsaufnahme Leitfähigkeit Feststoffgehalt Schlammspiegel - - - - - (x) (x)
Seite 9 Tabelle 2 (fortgesetzt) Abwasser Schlamm x - - x x x - (x) x (x) x - (x) - Nitrat x - - x - x - Ammonium x - (x) x - x - TOC/CSB (x) - (x) x (x) (x) - Schlüsselparameter Trinkwasser Schwimmbadwasser Kühlwasser Prozesswasser Kesselspeisewasser Sauerstoffkonzentration Redoxpotenzial Ortho- Phosphat - - x - - x - - - x x - x - Chlorid - - (x) x - - - Sulfat - - (x) - - - - - - (x) x - - - Silikat - - (x) x - - - Fluorid (x) internat. - - x - - - Eisen (x) - (x) x - - - Gesamtphosphor Hydrogencarbonat Desinfektionsmittel Desinfektionsnebenprodukte Oxidationsmittel x x x x - (x) - x (x) - x - (x) - (x) - (x) x - - - Biofilm - - (x) (x) - - - Calcium - - (x) x - - - Natrium - - - - x - - Erläuterung: x erforderlich; (x) optional erforderlich, - nicht erforderlich ANMERKUNG Die Reihenfolge der Tabellenzeilen stellt keine Gewichtung der Schlüsselparameter dar. In den folgenden Abschnitten werden die auf Basis der Schlüsselparameter empfohlenen Anwendungen und der sich daraus ergebende Nutzen dargestellt.
Seite 10 Tabelle 3 Einsatz und Nutzen der Schlüsselparameter für Trinkwasser Schlüsselparameter Leistungsaufnahme Durchfluss Temperatur Druck Füllstand Leitfähigkeit Trübung ph-wert Redoxpotenzial Sauerstoffkonzentration Nitrat Ammonium TOC/CSB Fluorid Eisen Maßnahme / Erläuterung / Anwendung Messung an der Übergabestelle und an den Hauptverbrauchern Mengenerfassung, durchflussabhängige Dosierung und Förderung Messung am Ein- und Ausgang des Wasserwerkes Systemüberwachung, Filter- und Membranüberwachung Messung der Pegelstände, Trennschichten in Kalkabscheidern Messung des Salzgehaltes Messung am Zulauf und Auslauf sowie an verschiedenen Prozessstufen der Wasseraufbereitung Messung / Regelung des Säure/ Base-Gehaltes Messung von zugesetzten Oxidations-, Desinfektionsmitteln Kontrolle des Eintrags von Sauerstoff zur Reduzierung von Eisen und Mangan Messung am Ausgang des Wasserwerkes, Reduzierung des Gehaltes durch Mischung von Wässern aus anderen Quellen Messung am Zulauf des Wasserwerkes, Reduzierung des Gehaltes durch Mischung von Wässern aus anderen Quellen Messung am Zulauf des Wasserwerkes zur Steuerung der Voroxidation und im Auslauf Messung-Regelung der Fluoriddosierung in bestimmten Ländern Steuerung der Enteisenung Nutzen Prozesstransparenz, Energieverbrauchskontrolle, Lastabwurf Einsparung Dosiermittel, Kosten- und Prozesskontrolle Optimierung der Verschnittmengen von unterschiedlichen Rohwässer Qualitätssicherung Optimierung der saisonalen Prozessabläufe bei Einsatz von Oberflächenwasser Installationssicherheit, Energieoptimierung, Leckageüberwachung, Gewährleistung der Wasserförderung, bedarfsgerechte Rückspülung der Filter und Membranen Energieoptimierung durch Reduzierung der Strömungswiderstände, Leckageüberwachung, Sicherstellung der Wasserversorgung Aufhärten von Wasser zur Einstellung des optimalen Kohlensäuregleichgewichtes zur Vermeidung von Korrosion, Qualitätssicherung Optimierung der Prozessstufen (Filter-, Flockungs-, Sedimentationsüberwachung), Qualitätssicherung (Grenzwertüberwachung am Auslauf) Vermeidung von Kalkablagerung und Korrosion Erhalt der Qualität des Wassers gemäß Trinkwasserverordnung, Optimierung der Flockung Erhöhung der Sicherheit bei der Messung von Desinfektionsmitteln (s.u.) durch Redundanz Qualitätssicherung, Energieeinsparung bei der bedarfsgerechten Belüftung Erhalt der Qualität des Wassers gemäß Trinkwasserverordnung Optimierung der Verschnittmengen von unterschiedlichen Rohwässer Erhalt der Qualität des Wassers gemäß Trinkwasserverordnung. Optimierung der Verschnittmengen und der Oxidation des Rohwassers Erhalt der Qualität des Wassers gemäß Trinkwasserverordnung Einhaltung der zur Kariesprophylaxe wirksamen Fluoridkonzentration Erhalt der Qualität des Wassers gemäß Trinkwasserverordnung, Reduzierung von Eisenablagerungen
Seite 11 Tabelle 3 (fortgesetzt) Schlüsselparameter Desinfektionsmittel (z.b. Chlor) Messung der gesetzlichen Konzentrations-Grenzwerte Desinfektionsnebenprodukte (z.b. Chlorit) Messung der gesetzlichen Konzentrations-Grenzwerte Oxidationsmittel (z.b. Ozon) Maßnahme / Erläuterung / Anwendung Eliminierung organischer Wasserinhaltsstoffe Nutzen Hygienische und gesundheitliche Absicherung, Verhinderung der biologischen Verblockung von Filtern und Membranen (Antifouling) Gesundheitliche Absicherung. Erhalt der Qualität des Wassers gemäß Trinkwasserverordnung Tabelle 4 Einsatz und Nutzen der Schlüsselparameter für Schwimmbadwasser Eliminierung organischer Wasserinhaltsstoffe Erhalt der Qualität des Wassers gemäß Trinkwasserverordnung Schlüsselparameter Leistungsaufnahme Durchfluss Temperatur Druck Füllstand Personenzahl ph-wert Redoxpotenzial Desinfektions- Mittel Sicherstellung der Desinfektionswirkung Sicherstellung einer nichttoxischen Desinfektionsmittelkonzentration Desinfektionsnebenprodukte, z.b. gebundenes Chlor Leitfähigkeit Maßnahme / Erläuterung / Anwendung Messung an der Übergabestelle Messung der Menge des Umlaufwassers / Frischwassers Regelung auf Sollwert im Becken Messung des Differenzdrucks am Rückspülfilter Messung am Schwallwasserbehälter Messung an Betriebsmittelbehältern Messung am Drehkreuz Einstellung des ph-wertes gemäß Verordnungen (z.b. DIN 19643) Messen des Beckenwassers Regelung der Desinfektionsmittelkonzentration Steuerung der UV-Anlage Einstellung des Salzgehaltes im Solebad Nutzen Energieverbrauchskontrolle Betriebssicherheit Störungsgrößenunabhängige Einstellung der Badetemperatur Filtereffizienzkontrolle (optimierte Rückspülung) Energieeinsparung durch Anpassung der Umlaufmenge / Frischwasserzugabe an die Beckenbelastung Betriebssicherheit Steuerung der Umlaufmenge / Frischwasserzugabe in Abhängigkeit von der Beckenbelastung z.b. Betriebsweise Eco Einstellung auf physiologisch verträglichen Wert. Minimierung Korrosion Plausibilitätsüberprüfung der Messung für die Regelung des Desinfektionsmittels Minimierung der Konzentration schädlicher Desinfektionsnebenprodukte Energieeffizienz Optimierung des Betriebsmitteleinsatzes
Seite 12 Schlüsselparameter Leistungsaufnahme Durchfluss Temperatur Druck Füllstand Leitfähigkeit Trübung ph-wert Redoxpotenzial Tabelle 5 Einsatz und Nutzen der Schlüsselparameter für Kühlwasser Maßnahme / Erläuterung / Anwendung Überwachung Kreislaufpumpen Überwachung von Zusatz- und Umlaufwasser sowie Abflut Überprüfung der Temperaturdifferenz zwischen Vor- und Rücklauf Systemüberwachung, Filterüberwachung Messung Pegelstand Überwachung Maximal / Minimalwert Steuerung der Absalzung Systemüberwachung Einstellen auf optimalen Wert Systemüberwachung Nutzen Energieeffizienz, Wirkungsgradüberwachung Optimale Steuerung der Zugabe von Konditionierungsmitteln, Verhinderung von Ablagerungen, optimale Eindickung/Wassernutzung Energieeffizienz, Betriebssicherheit Installationssicherheit, Leckageüberwachung, Gewährleistung der Wasserförderung, bedarfsgerechte Rückspülung der Filter Betriebssicherheit, Ausgleich der durch Verdunstung und Abflut resultierenden Verluste Betriebssicherheit, Verhinderung von Ausfällprozessen, Kontrolle Kühlturmperformance, optimale Eindickung / Wassernutzung Identifizierung von Produkteinbrüchen, Fällungsprozessen und starkem mikrobiologischem Wachstum, Überwachung Dispergatorzugabe Verhinderung von Ausfällungs- und Korrosionserscheinungen, Verbesserung der Desinfektionswirkung Kontrolle Oxidationsmittelzugabe, Identifizierung von Produkteinbrüchen Ammonium Systemüberwachung Identifizierung Produkteinbruch TOC ortho- Phosphat Verhinderung von Ausfällungs- und Korrosionserscheinungen, Optimale Zugabe von Konditionierungsmitteln (Antikorrosions-, Antiscalingzusätze), Kontrolle der chemischen Beständigkeit der Konditionierungsmittel Gesamt- Phosphor Chlorid Sulfat Überwachung Maximalkonzentration Hydrogencarbonat Silikat Überwachung Maximalwert Einstellen auf optimalen Wert Einstellen auf optimalen Wert Überwachung Maximalkonzentration Überwachung Minimal- und Maximalkonzentration Messung Wirkkonzentration, Systemüberwachung Identifizierung von Produkteinbrüchen, Überwachung Einleitqualität Verhinderung von Ausfällungs- und Korrosionserscheinungen, Optimale Zugabe von Konditionierungsmitteln, Kontrolle der chemischen Beständigkeit der Konditionierungsmittel Minimierung von Korrosionserscheinungen, Kontrolle Kühlturmperformance (Eindickung) Minimierung von Korrosionserscheinungen Verhinderung von Ausfällungs- und Korrosionserscheinungen Verhinderung von Korrosionserscheinungen und Inkrustationen Eisen Systemüberwachung Minimierung von Korrosionserscheinungen
Seite 13 Tabelle 5 (fortgesetzt) Schlüsselparameter Desinfektionsmittel Oxidationsmittel Biofilm Calcium Maßnahme / Erläuterung / Anwendung Messung Wirkkonzentration Messung Wirkkonzentration Messung Schichtdicke Überwachung Minimal- und Maximalkonzentration Nutzen Betriebssicherheit, Verhinderung von Wärmeübertragungsverlusten (Antifouling), Korrosionserscheinungen und Umweltschäden Betriebssicherheit, Verhinderung von Wärmeübertragungsverlusten, Korrosionserscheinungen und Umweltschäden Betriebssicherheit, Verhinderung von Wärmeübertragungsverlusten und Korrosionserscheinungen Tabelle 6 Einsatz und Nutzen der Schlüsselparameter für Prozesswasser Maßnahme / Erläuterung / Anwendung Überwachung von Pumpen und Heizung Nutzen Energieeffizienz, Wirkungsgradüberwachung Durchfluss Durchflussmessung Flussoptimierung, Energieeinsparung Temperatur Regelung der Badtemperatur Optimale Badkonditionierung Füllstand Messung Pegelstand Aufrechterhaltung der Badkonzentration ph-wert Verhinderung von Ausfällungs- und Korrosionserscheinungen Schlüsselparameter Leistungsaufnahme Redox- Potenzial Leitfähigkeit Neutralisation Entgiftung von redox-aktiven Chemikalien, z.b. Sulfide aus Schwermetallfällung oder Chromateliminierung Entfettung / Endreinigung Einstellung des ph-wertes zur Wiederverwendung des Wassers im Prozess Sicherstellen der Grenzwerte zur Wiederverwendung des Wassers im Prozess Überschusserkennung der zur Entfettung dosierten Lauge Sauerstoff Sulfideliminierung Endpunktbestimmung bei Sulfideliminierung ANMERKUNG Wegen der Vielfalt der in der Industrie anfallenden Prozesswasser wird hier auf das Beispiel Galvanikbetrieb Bezug genommen. Schlüsselparameter Leistungsaufnahme Tabelle 7 Einsatz und Nutzen der Schlüsselparameter für Kesselspeisewasser Maßnahme / Erläuterung / Anwendung Messung an den einzelnen Übergabestellen innerhalb der Anlage Durchfluss Mengenerfassung Prozesskontrolle Temperatur Vorwärmen des Rohwassers durch Kondensate Nutzen Energieverbrauchskontrolle zum Zweck der Optimierung Schutz der Harze vor Übertemperatur
Seite 14 Schlüsselparameter Druck Silikat Maßnahme / Erläuterung / Anwendung Differenzdruckmessung in den Filterationsstufen Messung am Ausgang der VE- Anlage Tabelle 7 (fortgesetzt) Füllstand Einhaltung der Sollwerte Anlagensicherheit Leitfähigkeit Messung der Leitfähigkeit bzw. Salzgehalt Nutzen Anlagensicherheit, rechtzeitige Filterrückspülung Optimierung der Betriebsmittel, Vermeidung von Korrosion und Kesselstein ph-wert Einhaltung der Sollwerte Anlagen- und Betriebssicherheit, Energieeffizienz Sauerstoff TOC/CSB Messung des Sauerstoffgehalts Messung im Kesselspeisewasser und im Kondensatrücklauf Optimierung der Zugabe von Reduktionsmittel, Vermeidung von Korrosion Betriebssicherheit und Überwachungssicherheit Tabelle 8 Einsatz und Nutzen der Schlüsselparameter für Abwasser Anlagensicherheit, Indikation eines Filterdurchbruchs Schlüsselparameter Leistungsaufnahme Durchfluss Temperatur Druck Füllstand Leitfähigkeit Trübung Qualitätssicherung im Ablauf, Kostenreduzierung bei der Polymerdosierung, Filter- und Nachklärbekkenfunktionsüberwachung Feststoffgehalt Schlammspiegel Maßnahme / Erläuterung / Anwendung Messung an den einzelnen Übergabestellen innerhalb der Anlage und an weiteren großen Verbrauchern (z.b. Gebläse) Mengenerfassung, durchflussabhängige Dosierung und Förderung Messung am Zu- und Ablauf des Kläranlage und in den Belebungsbecken Überwachung im Druckbelüftungssystem sowie der Steuerluft Messung der Pegelstände Messung des Salzgehaltes Messung im Ablauf der Kläranlage, ggf. auch in der Nachklärung oder im Bereich von Filtereinheiten Messung im Belebungsbecken und/oder im Rücklaufschlamm Messung in Nachklärbecken Nutzen Energieverbrauchskontrolle, Detektion von Optimierungspotenzial Einsparung von Dosiermitteln, Kosten- und Prozesskontrolle, Gewährleistung der Wasserförderung Kosteneinsparung durch gezielte Schlammalter- Anpassung, angepasste Regelung der Belüftung Anlagensicherheit; Energieoptimierung, Leckageüberwachung, Verschleißüberwachung beim Sauerstoffeintrag Optimale Nutzung der vorhandenen Volumina, Lekkageüberwachung Vermeidung von Korrosivität, Qualitätssicherung bei der Messwertüberwachung Anpassung des Belebtschlamm-Feststoffgehaltes, Energieeffizienz; gesicherter Abbau von hohen Frachten Kosteneinsparung bei der Schlammrückführung und der Polymerdosierung, Optimierung der Bekkenkapazität
Seite 15 Tabelle 8 (fortgesetzt) Schlüsselparameter ph-wert Sauerstoff Bedarfsgerechte Belüftung, gezielter Abbau von Stickstoff-, Phosphor- und organischen Verbindungen Redoxpotenzial Nitrat Ammonium TOC/CSB Ortho- Phosphat Gesamtphosphor Maßnahme / Erläuterung / Anwendung Messung / Regelung des Säure / Base-Gehaltes am Ausgang zum Vorfluter und im Zulauf der Kläranlage Kontrolle des Sauerstoffeintrags Messung im Nitrifikationsbecken als kostengünstige Alternative zur Ammonium- und Nitratmessung Messung im Belebungs- und im Denitrifikationsbecken sowie im Ablauf der Kläranlage. Messung im Zulauf, im Belebungsbecken und im Ablauf der Kläranlage, Abbau durch Sauerstoffeintrag zur Nitrifikation Messung im Kläranlagenzu- und Ablauf Messung im Belebungsbecken oder im Ablauf der Kläranlage Messung im Ablauf der Kläranlage Messung Wirkkonzentration Nutzen Erhalt der Wasserqualität gemäß der Abwasserverordnung, Vermeidung von Schädigungen der Biologie Kosteneinsparung bei der Belüftung, indirekte Überwachung des Nitratabbaus Gezielter Nitratabbau Kosteneinsparung durch gezielte Belüftung, Erhalt der Wasserqualität gemäß Abwasserverordnung Frachtsteuerung im Zulauf, Qualitätssicherung im Ablauf Gezielte Fällung von Ortho-Phosphat, Kosteneinsparung beim Fällmittelverbrauch Überwachung und Erhalt der Wasserqualität gemäß Abwasserverordnung im Ablauf der Kläranlage Entkeimung des geklärten Wassers (vorrangig im mediterranen Raum und in Übersee) Chlor (Desinfektionsmittel) Schlüsselparameter Leistungsaufnahme Durchfluss Temperatur Tabelle 9 Einsatz und Nutzen der Schlüsselparameter für Schlamm Maßnahme / Erläuterung / Anwendung Messung an den einzelnen Übergabestellen innerhalb der Anlage Mengenerfassung, durchflussabhängige Dosierung Messung im Schlammkreislauf Nutzen Energieverbrauchskontrolle zum Zweck der Optimierung Einsparung Dosiermittel, Kosten- und Prozesskontrolle Kostenreduzierung durch optimierten Wärmeeinsatz, Qualitätssicherung und Prozesskontrolle Druck Systemüberwachung Energieoptimierung, Leckageüberwachung Füllstand Energieoptimierung, Sicherstellung der Systemfunktionen Feststoffgehalt Messung der Pegelstände Messung der Schlammdichte Einsparung Dosiermittel, Kosten- und Prozesskontrolle, Optimierung der Abzugsprozesses
Seite 16 Schlüsselparameter Schlammspiegel Maßnahme / Erläuterung / Anwendung Messung in Absetzbecken Tabell 9 (fortgesetzt) Nutzen Kosteneinsparung bei der Rezirkulation und der Polymerdosierung, Optimierung der Anlagenkapazität ph-wert Regelung des ph-wertes Vermeidung von Ausfällungen 4.4 Prozessleittechnik Durch den Aufbau geschlossener Regelkreise werden die Prozessabläufe automatisiert und optimiert. Voraussetzung dafür ist, dass die dafür eingesetzten Komponenten betriebssicher eingesetzt werden (fachgerechte Installation, Wartung, Kalibrierung, Redundanz). Durch die verknüpfte Regelung der einzelnen Prozessstufen wird der Gesamtprozess auch im Sinne der Betriebs- und Prozesssicherheit optimiert. Durch ein übergeordnetes Leitsystem erfolgt die vollständige Sicht und Zugriffsmöglichkeit auf die einzelnen Prozessstufen. Das ermöglicht einen übergeordneten Überblick und Zugriff auf einzelne Anlagenkomponenten. In der nachstehenden Tabelle sind die Eigenschaften, die sich aus der Betriebs- und Prozessdatenerfassung ergeben, und der sich aus der Erfassung resultierende Nutzen dargestellt. Tabelle 10 Eigenschaften und Nutzen der Betriebs- und Prozessleitebene Eigenschaften Verwaltung der Komponenten im Prozess Messwertverwaltung Übergeordnetes Energiemanagement Betriebsstoffmanagement Fernwartungsfähigkeit Wassermanagement Nutzen, resultierend aus Betriebs- und Prozessleitebene Transparenz der Betriebsmodi, vorausschauende Wartung Prozessoptimierung auf der Grundlage der gesammelten/erfassten Daten, Überwachung, Korrektur und Nachweis der Wasserqualität Energiemessung bei allen Anlagenteilen, übergeordnete Auswertung und Optimierung, Konsequenz: Energieeinsparung Betriebsstoff-Verbrauchsmessung in allen Anlagenteilen, übergeordnete Auswertung und Optimierung, Konsequenz: Kosteneinsparung bei Ressourcen Kostengünstige, schnelle / zeitsparende Überwachung dezentraler Anlagenteile Wasserverbrauchsmessung in allen relevanten Anlagenteilen, Wassereinsparung 4.5 Bilanzen Eine weitere Grundlage für Investitionsentscheidungen sind Bilanzen. Sie werden aufgestellt, um Veränderungen zwischen Stoff- und Energieströmen festzustellen und dienen zur Bewertung und Dimensionierung des Einsatzes von energieeffizienter und Ressourcen schonender Anlagen- und Automatisierungstechnik. 4.5.1 Massenbilanz Aus dem Vergleich der einem System (Aggregat, Prozess) zugeführten Masse an Ausgangsstoffen und der Masse der Reaktionsprodukte kann dessen Effektivität (Ausbeute) berechnet und eventuelle Nebenreaktionen/-produkte erkannt werden.
Seite 17 Fallbeispiel Kühlturmwasser Zur Überprüfung der ordnungsgemäßen Funktionsweise eines Kühlturmes ist die Massenbilanz ein wichtiges Instrument. Sie ermöglicht die Aufdeckung eventueller Leckagen oder unerkannter Einspeisungen und lautet ZW = V + A = A x EZ ZW: Zusatzwasser V: Verdunstung A: Abflut (Abschlämmung/-salzung) EZ: Eindickungszahl (1) Die Eindickungszahl EZ ergibt sich aus dem Verhältnis des Zusatzwasserstroms ZW und der Abflut A (Abschlämmung bzw. Absalzung) bzw. aus dem Konzentrationsverhältnis nicht ausfällbarer Wasserinhaltsstoffe in Abflut und Zusatzwasser. In der Regel nutzt man hierfür die Chloridkonzentrationen. EZ = ZW/A = c Cl, A /c Cl,ZW (2) c Cl, A : Chloridkonzentration in der Abflut Chloridkonzentration im Zusatzwasser c Cl,ZW: Die Berechnung der Eindickungszahl aus dem Verhältnis der Leitfähigkeiten liefert bei regelkonformem Kühlturmbetrieb, z.b. gemäß VDI-Richtlinie 3803, ebenfalls verlässliche Werte. Bei hiervon abweichender Fahrweise können jedoch Ausfällungsprozesse auf diese Weise nicht erkannt werden, weil durch die sich verringernde Konzentration gelöster Ionen die Leitfähigkeit sinkt und eine zu geringe Eindickungszahl ermittelt wird. Die über die online-messung der Leitfähigkeiten in der Feldebene ermittelte Eindickzahl kann verwendet werden, um automatisiert die Zugabe von Konditionierungsmitteln zu optimieren. Die erforderliche Menge wird in der Steuerungsebene aus den o.g. Bilanzgleichungen errechnet. 4.5.2 Stoffbilanz Stoffbilanzen beziehen sich auf die Konzentrationsänderungen von Wasserinhaltsstoffen oder dem Wasser zugesetzten Konditionierungsmitteln und können auf unterschiedliche Ziele gerichtet sein, z.b. zur Dimensionierung von Anlagenteilen, Aufdeckung von Fällungsreaktionen und Akkumulationsprozessen sowie zur Überprüfung der Massenbilanz. Das folgende Fallbeispiel bezieht sich auf Kühlwasser. Fallbeispiel Kalkbilanz Hauptursache für das Scaling, d.h. das Auftreten von Inkrustationen, die den Wärmeübergang behindern und Korrosionsprozesse initiieren können, ist die sogenannte Kalkausfällung, d.h. die Bildung schwerlöslichen Calciumcarbonats. Auf der anderen Seite lässt sich ausgefallener Kalk z.b. durch Zusatz geeigneter Chemikalien (Säuren, Komplexbildner) wieder auflösen und über die Abflut aus dem Kreislauf entfernen. Daraus ergibt sich für das Calcium folgende Bilanzgleichung für den Eintrag = Austrag von Calcium: (c Ca,ZW x EZ) + c Ca.aufgelöst = c Ca.A + c Ca.ausgefällt (3) c Ca, A : Calciumkonzentration in der Abflut Calciumkonzentration im Zusatzwasser c Ca,ZW: Daraus lässt sich zweckmäßigerweise der Bilanzkoeffizient BK Ca ableiten, indem man die Calciummenge, die in den Kreislauf eingetragen wird (c Ca.ZW x EZ) mit derjenigen ins Verhältnis setzt, die aus dem Kreislauf ausgetragen wird (c Ca.A ). Ist das Verhältnis BK Ca = c Ca.A /(c Ca.ZW x EZ) (4) kleiner 1 fällt Kalk aus (weil c Ca.ausgefällt > 0), ist es größer 1 (weil c Ca.aufgelöst > 0), wird Kalk aufgelöst. Laufen weder Fällungs- noch Auflösungsprozesse ab, wird der Wert 1 ermittelt.
Seite 18 Durch die on-line Messung der Calcium-Konzentration und Leitfähigkeit (Feldebene) im Zusatzwasser sowie in der Abflut kann in der Steuerungsebene der Bilanzkoeffizient ermittelt werden. Bei Werten <1 wird über die Steuerungsebene automatisiert Weichwasser zudosiert oder vermehrt abgesalzt wird. 4.5.3 Energiebilanz Die Energiebilanz beruht auf dem Energieerhaltungssatz, der besagt, dass sich die Gesamtenergie bei chemischen, physikalischen und biologischen Prozessen in einem geschlossenen System nicht ändert, jedoch von der einen in eine andere Energieform umgewandelt werden kann. Demzufolge kann aus dem Vergleich der einem System (Aggregat, Prozess) zugeführten und von ihm abgegebenen Energie dessen Energieeffizienz berechnet werden. Fallbeispiel Kühlwasser Die Energiebilanz von Kühlwasser basiert darauf, dass zur Abkühlung des Wassers im Kühlturm eine entsprechende Menge an Wasser verdunsten muss, um diese Wärmemenge aufzunehmen. Demnach ergibt sich die zur Abkühlung notwendige Wassermenge aus dem Verhältnis der Wärmemenge Q KW, die dem Wasser entzogen werden muss und der Wärmemenge Q V, die durch die Verdunstung von Wasser aufgebraucht wird. Q v = V x v H (5) Q v: Durch Verdunstung aufgenommene Wärmemenge v H: Verdampfungsenthalpie c p : Spezifische Wärmekapazität Q KW = m KW x c p x T (6) Q KW : Vom Kühlwasser abgegebene Wärmemenge m KW : Kühlwasserdurchsatz T: Kühlzonenbreite Aus Q v = Q KW folgt V = m KW x c p x T / v H (7) Bei korrekter Arbeitsweise des Kühlturms müssen die aus der Massenbilanz und der Energiebilanz ermittelten Verdunstungsmengen übereinstimmen. Abweichungen weisen auf Unzulänglichkeiten im Zustand, der Auslegung oder der Betriebsweise des Kühlturmes hin. Mit den an einem Kühlturm üblicherweise angebrachten Sensoren in der Feldebene kann die Verdunstungsmenge gemäß Gleichung (5) und Gleichung (7) in der Steuerungsebene ermittelt werden. Bei Abweichungen kann ein Alarm erzeugt und auf dem Leitsystem angezeigt werden. 4.6 Wartungs- und Instandhaltungskonzepte Nach DIN 31051 beinhaltet die Instandhaltung alle Maßnahmen zur Bewahrung und Wiederherstellung des Soll-Zustandes sowie zur Feststellung und Beurteilung des Ist-Zustandes von technischen Mitteln eines Systems. Zu diesen Maßnahmen zählen: Wartung Maßnahmen zur Verzögerung des Abbaus des vorhandenen Abnutzungsvorrats Inspektion Maßnahmen zur Beurteilung des Ist-Zustandes, dabei auch Bestimmung von Abnutzungsgründen Instandsetzung Maßnahmen zur (Wieder)Herstellung des notwendigen Abnutzungsvorrats Verbesserung Kombination aller technischen und administrativen Maßnahmen sowie Maßnahmen des Managements zur Steigerung der Funktionssicherheit einer Betrachtungseinheit, ohne die von ihr geforderte Funktion zu ändern.
Seite 19 Im betrieblichen Alltag fließen diese Maßnahmen in unterschiedlichem Umfang in die Instandhaltungsstrategie ein. Für die Prozessautomatisierung im Bereich der Wasserversorgung bzw. Abwasserbehandlung sind folgende Strategien von Bedeutung: Minimal-Wartung Instandhaltung beschränkt sich auf die Reparatur nach Schadensfällen. Gegen eine solche Strategie sprechen hohe Kosten bei unvorhergesehenen Anlagenstillständen sowie das Risiko von Schäden an Menschen und Maschinen. Präventive Wartung Instandhaltung durch vorbeugende Maßnahmen zur Vermeidung von Schadensfällen. Zu beachten sind die hohen Personal- und Sachkosten für regelmäßige Maßnahmen sowie den Austausch von Verbrauchsteilen. Vorausschauende Wartung Instandhaltung durch belastungsabhängige Durchführung der nötigen Maßnahmen zur Vermeidung von Schadensfällen, der Zeitpunkt wird durch Beobachtung der relevanten Anlagenteile abgeschätzt. Zu beachten ist, dass die vorausschauende Wartung hohe Anforderungen an das Instandhaltungsmanagement stellt. Die Beobachtung und Protokollierung bestimmter Schlüsselparameter in der Betriebs- und Prozessleitebene sowie in der Steuerungsebene kann zur vorausschauenden Wartung eingesetzt werden. Die einzusetzende Prozessleittechnik sollte diese Funktionen unterstützen. 5 Exemplarische Verfahrensschemata 5.1 Trinkwasser Die Aufbereitung von Trinkwasser kann abhängig vom verwendeten Rohwasser sehr unterschiedlich sein. Überwiegend erfolgt die Dosierung von chemischen Aufbereitungsmitteln durchflussproportional zum Hauptstrom. Die Messtechnik wird zur Eingangsmessung, zur Regelung der Wasseraufbereitungsschritte und zur Endkontrolle vor Einspeisung des aufbereiteten Wassers in das Verteilungsnetz eingesetzt. 1) In nahezu allen Fällen muss das Rohwasser zunächst von Feststoffen befreit werden. Zusätzlich kommt auch die Kombination von Flockungs- und Filtrationsverfahren zum Einsatz. Durch Einsatz einer Trübungsmessung im Rohwasser kann die Flockungsmittelzugabe optimiert werden. Die anfallenden Schlämme werden entwässert und der Weiterverwertung oder Entsorgung zugeführt. 2) Wird das Rohwasser aus Grundwässern mit hohem Eisen- oder Mangangehalt gewonnen, erfolgen als weitere Schritte oft ihre Oxidation durch Einblasen von Luft und das Ausfällen der dadurch gebildeten Eisen- und Manganoxid (hydroxid)-schlämme. Durch Einsatz der Sauerstoffmessung kann die Effizienz der Oxidation optimiert werden. 3) Wird das Rohwasser aus Oberflächenwässern mit höheren Gehalten an organischen Inhaltsstoffen gewonnen, erfolgt oft eine Voroxidation dieses Rohwassers mittels Ozon oder anderen Oxidationsmitteln in Kombination mit Aktivkohlefiltration. Der Einsatz von Mess- und Regeltechnik stellt die optimale Menge des Oxidationsmittels sicher. Alternativ kommen auch zunehmend Membranverfahren zum Einsatz. Dafür werden dann die Konditionierung des Wassers durch Dosierung von belagsmindernden Chemikalien und die Rückspülung der Membran erforderlich. Weitere Verfahrensschritte, wie Oxidation oder Desinfektion sind dann oft nicht mehr notwendig. 4) Falls erforderlich kann zur Verringerung der Korrosivität des Wassers die Einstellung des ph-wertes und des Kohlensäuregleichgewichtes, z.b. durch Kalkmilchdosierung erfolgen. 5) Kann eine Verkeimung des Wassers bei der Aufbereitung oder späteren Verteilung nicht ausgeschlossen werden, erfolgt die Desinfektion mit trinkwasserkonformen Desinfektionsmitteln wie Hypochlorit oder Chlordioxid direkt vor der Abgabe des aufbereiteten Trinkwassers in das Verteilungsnetz.
Seite 20 Bild 4 Verfahrensschema Trinkwasseraufbereitung aus Grundwasser Quelle: Siemens AG, Nürnberg Bild 5 Verfahrensschema Trinkwasseraufbereitung aus Oberflächenwasser Quelle: Siemens AG, Nürnberg
Seite 21 5.2 Schwimmbadwasser In Schwimmbäder kommt das Wasser in intensiven Kontakt mit dem Menschen und muss kontinuierlich hinsichtlich chemisch-physikalischen, gesundheitlichen und hygienischen Anforderungen aufbereitet und überwacht werden. In großen Wasserparks sind eine Vielzahl von Schwimmbecken, Whirlpools etc. kontinuierlich zu betreiben, was hohe Anforderungen an die Mess- und Regeltechnik stellt. Folgende Prozessstufen sind unabhängig von der Größe oder Anzahl der Becken für den ordnungsgemäßen Betrieb notwendig: 1) Die Einstellung und Aufrechterhaltung des vorgeschrieben ph-wertes des Badewassers während des gesamten Badebetriebs (z.b. DIN 19643-1: ph 7,3) ist von großer Bedeutung für die physiologische Verträglichkeit des Wassers und für die Sicherstellung der optimalen Desinfektionswirkung des eingesetzten Desinfektionsmittels. Abhängig von der sauren oder alkalischen Wirkung des dosierten Desinfektionsmittels wird der ph-wert- durch dessen Messung und Ansteuerung von Dosierpumpen für Säure (z.b. bei Natriumhypochlorit) oder Lauge (z.b. bei Chlorgas) durch einen geschlossenen Regelkreis geregelt. 2) Zur Desinfektion des Schwimmbadwassers wird eine bestimmte Sollkonzentration eines Desinfektionsmittels während des Badebetriebs aufrechterhalten. Dazu wird die Konzentration des Desinfektionsmittels kontinuierlich gemessen und dessen Dosierung über die Ansteuerung von Dosierpumpen (z.b. Natriumhypochlorit), Chlorgasventilen (Chlorgas) oder Elektrolyseanlagen im geschlossenen Regelkreis geregelt. Im Detail schreibt die DIN 19643-1 je nach Beckenart und Art der Wasseraufbereitung die relevanten Werte vor. Zur Einsparung von Desinfektionsmittel kann in badefreien Betriebszeiten die Sollkonzentration automatisch heruntergefahren werden. 3) Insbesondere bei Indoor-Schwimmbecken und Whirlpools wird die Einstellung der Wassertemperatur durch Temperaturmessung und Ansteuerung von Heizern realisiert. Zur Einsparung von Energie wird in badefreien Betriebszeiten die Temperatur heruntergefahren. 4) Die ordnungsgemäße Filtration des im Kreislauf geführten Schwimmbadwassers (optimale Umwälzung) und insbesondere die optimale Rückspülung der Filter ist von großer Bedeutung für die Aufrechterhaltung der Hygiene des Badewassers bei gleichzeitiger Einsparung von Frischwasser und Desinfektionsmitteln: Abhängig von den gesetzten Anforderungen und Zielen erfolgt die Rückspülung zeitgesteuert, durch Differenzdruck-Steuerung und teilweise auch unter zu Hilfenahme von weiteren Messgrößen, die die Beckenbelastung charakterisieren (z.b. Zähler am Drehkreuz). Zur Einsparung von Energie und Wasser wird in badefreien Betriebszeiten die Rückspülungsfrequenz heruntergefahren. 5) Der Zusatz von Frischwasser erfolgt oft in einem bestimmten Verhältnis zur Umwälzung. Der Zusatz kann darüber hinaus abhängig von der Beckenbelastung gesteuert werden. Optional können folgende Stufen die Prozessführung optimieren: 6) Zur Abscheidung fällbarer Wasserinhaltsstoffe werden Flockungsmittel durchflussproportional zur Umwälzung dosiert. 7) Durch die Desinfektion der Filter während des Rückspülens kann die Hygiene höher belasteter Becken (z.b. Therapiebecken) erheblich gesteigert und der Verbrauch von Desinfektionsmittel für das Beckenwasser verringert werden. Die Filterdesinfektion kann zeitgesteuert oder durch messwertabhängige Regelung erfolgen. 8) In höher belasteten Becken kann die Konzentration des gebundenen Chlors (verbrauchtes Desinfektionsmittel) durch dessen Messung als Differenz aus Gesamtchlor minus freiem Chlor und der Ansteuerung einer UV-Anlage, die auf einen Teilstrom wirkt, erheblich erniedrigt und somit die Hygiene erhöht werden. 9) Insbesondere in künstlichen Solebädern kann die Einstellung und Aufrechterhaltung der Salzkonzentration durch Regelung der elektrolytischen Leitfähigkeit erfolgen.
Seite 22 Bild 6 Verfahrensschema Schwimmbadwasseraufbereitung Quelle: Siemens AG, Nürnberg 5.3 Kühlwasser Offene Kühlkreisläufe, die auf dem Prinzip der Verdunstungskühlung beruhen, sind in den Produktionsbetrieben aller Branchen und in Kraftwerken weit verbreitet. Zur Optimierung des Prozesses ist eine kontinuierliche Wasseraufbereitung unerlässlich. Damit kann im Ergebnis der Wärmeaustauschprozess optimiert, die Konstruktion erhalten und der Chemikalienverbrauch minimiert werden. Stillstandzeiten können durch eine kontinuierliche, automatisierte Prozessführung minimiert werden. Folgende Prozessstufen sind notwendig: 1) Absalzung des durch die Verdunstung aufkonzentrierten Kreislaufwassers durch dessen Ablassen und Zusatz von Frischwasser. Vorteilhafter ist ein Ablassen in Form einer Abschlämmung am tiefsten Punkt der Kühlturmtasse, weil auf diese Weise auch eingetragene oder gebildete Feststoffe aus dem System entfernt werden können. Beides kann durch die leitfähigkeitsabhängige Ansteuerung eines Absalz- oder Abschlämmungsventils erreicht werden oder durch durchflussgesteuerte Eindickungsregler. Eine Steuerung mit Niveauschalter steuert den Ersatz des verlorenen Wassers durch Frischwasserzufuhr. 2) Desinfektion des Kühlwassers zur Vermeidung der den Wärmeaustausch behindernden Biofilmbildung und Vermeidung der Bildung von gesundheitsschädlichen Mikroorganismen (Legionellen) entweder durch durchflussproportionale Dosierung von oxidativen (Chlor-, Brom-, Chlordioxid-, Ozon- und Peroxidreagenzien) bzw. nichtoxidativen Präparaten oder als zeitgesteuerte oder messwertabhängige Schockdosierung. 3) Minimierung der Korrosion durch zeitgesteuerte, durchflussproportionale oder messwertabhängige Regelung der Dosierung von Korrosionsinhibitoren. 4) Minimierung der Belagsbildung durch Kalk und andere Niederschläge durch zeitgesteuerte, durchflussproportionale oder messwertabhängige Dosierung von Dispergatoren und Stabilisatoren (z.b. Komplexbildnern).
Seite 23 Bild 7 Verfahrensschema Kühlwasserbehandlung Quelle: Siemens AG, Nürnberg 5.4 Prozesswasser Wegen der Vielfalt der in der Industrie anfallenden Prozesswässer wird hier auf das Beispiel Galvanikbetrieb Bezug genommen: Die Schwermetallfällung in der galvanischen Industrie wird häufig über Sulfiddosierung bewerkstelligt. Nach der Fällung wird der Sulfidüberschuss mittels Dosierung von Wasserstoffperoxid eliminiert.