Applikationsbeschreibung Durchflussmessung für Speicherbehälter in Wasserversorgungsnetzen Wasser & Abwasser Instrumentierungs-Lösungen Umfangreiche, spezifische Ausführungsvarianten Leckageüberwachung durch hohe Messgenauigkeit bei kleinen Durchflussmengen Durchflussmessung von Nachtabgabe und Löschwasser Große Messspanne ABB Instrumentation
1 Allgemeine Beschreibung Wasserspeicher sind ein wichtiges Grundelement der öffentlichen Wasserversorgung. Ausgeführt als Hochbehälter oder Wassertürme haben sie die Aufgabe, den Unterschied zwischen Wasserbedarf in einem Versorgungsgebiet und dem Wasserangebot der Gewinnungs- und Aufbereitungsanlagen auszugleichen. Sie decken Verbrauchsspitzen ab und erfüllen gleichzeitig die Funktion einer Wasserreserve bei möglichen Betriebsstörungen bei der Wasseraufbereitung. Weiterhin stellen Sie den Löschwasserbedarf für die Brandbekämpfung innerhalb des Versorgungsgebietes sicher. Zusätzlich werden die Wasserspeicher genutzt, um den erforderlichen Druck im Versorgungs-Rohrnetz aufrecht zu erhalten. 2 Problemstellung Die messtechnische Erfassung der Abgabemengen an das Versorgungsgebiet ist durch die erforderliche große Messspanne äußerst anspruchsvoll. Neben einer hohen Maximalentnahme im Brandfall (Löschwasser) sollen auch die Nachtabflüsse zur Leckagekontrolle mit hoher Genauigkeit gemessen werden. Magnetisch-induktive Durchflussmesser als wartungs- und verschleißfreie Messsysteme haben sich in diesem Anwendungsfall etabliert. War es früher üblich die Zählerstände Vor-Ort am Gerät abzulesen, werden heute vermehrt die elektrischen Signale fernübertragen und gleichzeitig zentral überwacht. Weiterhin ist beim Betrieb von Gegenbehältern die Durchflussmessung von Abgabe und Behälterbefüllung in verschiedenen Fließrichtungen erforderlich, wobei hierfür möglichst nur ein Messgerät zum Einsatz kommen soll. Um jederzeit über den Füllstand im Hochbehälter informiert zu sein, muss dieser mit geeigneten Messgeräten erfasst werden. 3 Messtechnische Grundlagen Magnetisch-induktive Durchflussmesser arbeiten grundsätzlich nach dem Faradayschen Induktionsgesetz. Das gemessene Signal ist dabei proportional zur mittleren Fließgeschwindigkeit über den gesamten Rohrquerschnitt. Bei geringen Durchflüssen wird damit das Signal-/Rauschverhältnis stetig schlechter, was eine eine erhöhte Messwertabweichung zur Folge hat. Somit ist es notwendig, den gesamten Messbereich auszunutzen. Für Anwendungen im Trinkwasserbereich wird daher in der Regel die Nennweite des Durchflussmessers so ausgelegt, dass bei maximalem Durchfluss eine Fließgeschwindigkeit von 2... 2,5 m/s vorherrscht. Bei der Anwendung an Hochbehältern mit sehr großen Durchflüssen im Feuerlöschfall ist jedoch die so gewählte Nennweitengröße nicht in der Lage mit ausreichender Genauigkeit die Nachtabflüsse zu messen. Die Durchflussmessung in beiden Fließrichtungen ist Standard bei den Geräten von ABB. Zur Weiterverarbeitung der Signale steht eine Vielzahl an Möglichkeiten zur Verfügung, womit eine problemlose Anpassung an die jeweiligen Erfordernisse leicht möglich ist. 2
3 F1 1 2 P1 F2 4 Bild 3-1: Durchlaufbehälter mit Speisung und Entnahme über verschiedene Leitungen 1 Wasserbehälter (Reservoir) 3 Zulauf (Speisung) 2 Wasser 4 Abgabe ins Versorgungsnetz 1 2 P1 F2 3 Bild 3-1: Gegenbehälter mit Speisung und Entnahme über eine Leitung 1 Wasserbehälter (Reservoir) 3 Zuauf (Speisung) und Abgabe ins Versorgungsnetz 2 Wasser 3
4 Problemlösung Durch Auslegung des Durchflussmesssystems auf die maximale Entnahme des Tages für ca. 2 m/s können auch die Nachtmengen bei Wahl des magnetisch-induktiven Durchflussmessers Typ FXM2000 mit hoher Messgenauigkeit erfasst werden. Dies bedingt in der Regel eine Reduzierung der Rohrleitung im Bereich der Messstrecke. Wird die Reduzierung unter einem Winkel von acht Grad vorgenommen, so sind auch die entstehenden Druckverluste gering. Für den Feuerlöschfall können damit Fließgeschwindigkeiten bis 4 m/s auftreten. Hilfreich für die Geräteauslegung ist die ABB Software FlowCalc, die neben den Fließgeschwindigkeiten und Messwertabweichungen auch Auskunft über die Druckverluste bei Reduzierung der Rohrleitung gibt. Eine weitere Alternative stellt das Messsystem MagMaster aus der LoFlo Serie dar. Es ist bereits ab Werk mit einer Reduzierung des Innendurchmessers ausgestattet. Damit ergeben sich bei kleinen Durchflussmengen recht hohe Messgenauigkeiten während die großen Löschwassermengen ebenfalls noch erfasst werden können. So wird bei einem Gerät mit der Nennweite DN 80 die Durchflussrate von lediglich 1,7 l/min noch mit 5 % Messwertabweichung und ein Durchfluss von 4 l/min mit 2 % Messwertabweichung gemessen. Ab 2 m 3 /h erreicht das Messsystem eine Messwertabweichung von 0,25 % vom Messwert. Die maximale Durchflussmenge beträgt 80 m 3 /h für ein Messgerät mit der Nennweite DN 80, wodurch auch das Messen des Löschwasserbedarfs ermöglicht wird. Die Messwertabweichungen für andere Nennweiten und die entsprechenden Druckverluste sind dem zugehörigen Datenblatt zu entnehmen. Mit gleichem Aufbau steht weiterhin noch das Messsystem AquaMaster zur Verfügung. Gegenüber dem Mag- Master LoFlo kann der AquaMaster jedoch auch ohne externe Energieversorgung betrieben werden. Die im Gerät eingebauten Batterien versorgen das Gerät autark. Als Signalausgang steht, wie bei mechanischen Wasserzählern, ein passiver Impulsausgang zur Verfügung. Hierüber werden mit wählbarer Impulswertigkeit für beide Durchflussrichtungen zur Weiterverarbeitung ausgegeben. Um den Wasserstand im Speicherbehälter zu messen, können Drucksensoren eingesetzt werden. Diese stellen ein 4... 20 ma Signal proportional zur Füllhöhe im Behälter zur verfügung. 5 Nutzenbetrachtung Magnetisch-induktive Durchflussmesser in der beschriebenen Anwendung besitzen den Vorteil einer hohen Messgenauigkeit bei gleichzeitig geringem Druckverlust in der Rohrleitung. Da sie keine mechanisch beweglichen Teile besitzen sind sie wartungs- und verschleißfrei. Elektrische Signale stehen dem Anwender zur weiteren Verarbeitung zur Verfügung. Die höhere Messgenauigkeit gegenüber mechanischen Wasserzählern erlaubt eine wesentlich genauere Bestimmung der Abgabemengen. Durch die richtige Wahl und Auslegung des Durchflussmesssystems ist es möglich, neben großen Löschwassermengen auch die geringen Nachtabflüsse mit einem Gerät zu messen. Eine Leckageüberwachung wird ermöglicht und Verluste in den Rohrleitungen können minimiert werden. Durch den Einsatz batteriebetriebener Ausführungen bzw. batteriegepufferter Varianten, muss auch bei Stromausfall nicht auf die Messung verzichtet werden. Eine USV-Anlage kann dadurch eingespart werden. Zur Füllstandsmessung und Drucküberwachung bietet sich der Drucksensor 261GS in Zweileiter-Technik an. Die robuste Bauweise und das Standard-Edelstahlgehäuse bei gleichzeitig kleiner Bauform zeichnen dieses Gerät aus. 4
6 Merkmale der verwendeten Komponenten Messstelle Instrumentierung ProcessMaster FEP300 in Kompaktausführung Messgenauigkeit: 0,4 % Diagnosefunktionen Intuitive Bedienung SensorMemory für schnelle Inbetriebnahme alternativ FXM2000 in Kompaktausführung Messgenauigkeit: 0,4 % bei 0,5 m/s, optional 0,2 % Reproduzierbarkeit 0,1 % Zwei Messbereiche mit automatischer Umschaltung Kurze Beruhigungsstrecke F1, F2 alternativ MagMaster Loflo Reduzierter Innendurchmesser Messgenauigkeit: 0,25 % Optional dualer Stromausgang Schutzart IP 68 Erdeinbaubar alternativ AquaMaster Reduzierter Innendurchmesser Messgenauigkeit: 0,25 % bzw. 0,5 % Autarker Betrieb durch Batterieversorgung bzw. Batterie-Backup Impulsausgang Vor-Rücklauf P1 Messumformer für Überdruck 261GS Kostengünstige Füllstandsmessung Robustes Edelstahlgehäuse Messgenauigkeit: 0,15 % Vielfältige Prozessanschlüsse Kompakte Bauform 5
ABB bietet umfassende und kompetente Beratung in über 100 Ländern, weltweit. www.abb.de/instrumentation ABB optimiert kontinuierlich ihre Produkte, deshalb sind Änderungen der technischen Daten in diesem Dokument vorbehalten. Printed in the Fed. Rep. of Germany (09.2008) ABB 2008 3KDE010038R3003 ABB Automation Products GmbH Vertrieb Instrumentation Borsigstr. 2, 63755 Alzenau, DEUTSCHLAND Der kostenlose und direkte Zugang zu Ihrem Vertriebszentrum: Tel: +49 800 1114411, Fax: +49 800 1114422 E-Mail Customer Care Center: CCC-support.deapr@de.abb.com