Druckstoßverhinderung im Tiefbrunnen Strick (TB)
Ausgangssituation/ Aufgabenstellung
Im Tiefbrunnen Strick sollen zwei verbaute und in die Jahre gekommene Windkessel durch eine Druckstoßsicherung in Form von Druckstoßverhinderungsventilen AVK BERMAD Serie 735/835 ersetzt werden.
Hier gibt es drei Förderszenarien:
1. Förderung vom TB Strick in den HB Grießen
- Fördermenge 50-100 m³/h
- Förderhöhe 7,5 bar
- Leitungslänge 1.450 m, Leitung DN150, Druckstufe PN16
2. Förderung vom TB Strick in den HB Verband
- Fördermenge 40 m³/h
- Förderhöhe 23 bar
- Leitungslänge 4.150 m, Leitung DN200, Druckstufe PN40
3. Notversorgung aus dem TB Hard
- Fördermenge Richtung HB Grießen 100 m³/h bei 7,5 bar oder
- Fördermenge Richtung HB Verband 40 m³/h bei 23 bar
- Leitungslänge 2.500m, Leitung DN250
Funktion der Druckstoßverhinderungsventile AVK BERMAD 735/835
Bei den Druckstoßverhinderungsventilen AVK BERMAD735/835 handelt es sich um hydraulisch betätigte Offline-Membranventile zur Druckstoßdämpfung. Die Armaturen öffnen infolge eines durch Pumpenausfall verursachten Druckabfalls in der Förderleitung sofort. Das bereits geöffnete Ventil streut dann die zurückströmende Hochdruckwelle und baut den Druckstoß ab. Sobald das System dies erlaubt, schließt das Ventil tropfdicht und sanft, sodass ein weiterer Druckanstieg vermieden wird. Auch übermäßiger Systemdruck wird von der Armatur abgebaut.
Be- und Entlüftungsventile im Zusammenhang mit Druckstoßverhinderungsventilen
Kommt es im Leitungssystem zu einem plötzlichen Pumpenausfall, hat dies einen Abriss der Wassersäule zur Folge. Hier besteht die Gefahr eines Vakuums, das bei Unterschreiten des Berstdrucks der jeweiligen Förderleitung zu einem Rohrbruch führen kann.
Hier kommen dann Be- und Entlüftungsventile des Modells C70 zum Einsatz. Diese zeichnen sich auf Grund der Gehäusekonstruktion durch extrem hohe Be- und Entlüftungsleistungen aus und sorgen jederzeit für einen effektiven Luftaus- und eintrag in das Versorgungssystem.
Druckstoßberechnung TB Strick Richtung HB Grießen
- Fördermenge 50-100 m³/h
- Förderhöhe 7,5 bar
- Leitungslänge 1.450 m, Leitung DN150, Druckstufe PN16
Die Frage, ob und welche Druckstoßverhinderungsarmaturen eingesetzt werden können, erfordern eine sehr genaue Analyse des Systems und eine entsprechende Druckstoßberechnung. Dazu werden alle systemrelevanten Informationen erfasst. Kriterien sind hier u.a. Pumpenanzahl, Fördermenge und -höhe, Rohrleitungslänge, Nennweite, erlaubter Betriebsdruck, Leitungsprofil und Rohrleitungsmaterial.
Ausmaß, Dauer, Geschwindigkeit der Druckstöße bei plötzlichem Pumpenausfall werden anschließend in einer Software simuliert und grafisch dargestellt.
Analyse des Status Quo:
Analyse des Druckstoßes bei plötzlichem Pumpenausfall OHNE Schutzvorrichtung
Die Grafik zeigt deutlich, dass bei plötzlichem Pumpenausfall die Gefahr eines Vakuums besteht. Im Falle des Druckabfalls wird der erlaubte Mindestdruck (pink) über einige Strecken unterschritten (dunkelgrün). Dies kann ein Bersten der Leitung zur Folge haben.
Nachdem die Druckwelle an Geschwindigkeit verliert und den Weg zurück Richtung Pumpen antritt, wird der erlaubte Maximaldruck (hellgrün) des Systems über eine lange Strecke von ca. 720m deutlich überschritten (rot). Die Druckwelle erreicht dabei einen Spitzenwert von ca. 24 bar. Der maximal erlaubte Betriebsdruck liegt bei 16 bar. Ein Rohrbruch ist wahrscheinlich.
Analyse des Druckstoßes bei plötzlichem Pumpenausfall MIT Schutzvorrichtung
Im nächsten Schritt wird eine Simulation bei Einsatz von Druckstoßverhinderungsventilen simuliert. Hier werden verschiedene Nennweiten und Ausführungen eingesetzt.
Dabei kommen auch Be- und Entlüftungsventile zum Einsatz, die an strategisch wichtigen Punkten installiert werden und sicherstellen, dass bei drohendem Vakuum eine ausreichend große Luftmenge in die Leitung eingetragen wird, um das System effektiv zu schützen.
Die Grafik zeigt, dass bei Einsatz von Druckstoßsicherungsarmaturen der Druckstoß zwar entsteht, der maximal erlaubte Druck (hellgrün) aber zu keiner Zeit überschritten wird. Der Druck steigt auf maximal ca. 9 bar an. Durch den Einsatz von Be- und Entlüftungsventilen kann durch effektiven Lufteintrag in das System ein Vakuum verhindert werden.
Lösung:
- Einsatz eines Druckstoßverhinderungsventils Typ 735 in DN50 PN16
Der Niedrigdruckpilot, der bei Abriss der Wassersäule reagiert, wird auf 3 bar eingestellt. Der Hochdruckpilot reagiert bei Überschreiten von 8,5 bar. - Einsatz von Be- und entlüftungsventilen Typ C70 DN50 PN16
Das Be- und Entlüftungsventil sorgt für einen effektiven Lufteintrag ins System, wenn es bei Pumpenausfall zum Vakuum kommt.
Druckstoßsicherung TB Strick Richtung HB Verband
- Fördermenge 40 m³/h
- Förderhöhe 23 bar
- Leitungslänge 4.150 m, Leitung DN200, Druckstufe PN40
Die Leitung TB Strick Richtung HB Verband sollte ebenfalls von unerwünschten Druckanstiegen bis hin zu Druckstößen geschützt werden. Auf Grund der Rohrleitungslänge mit >4.000m sowie der Druckstufe PN40 und Förderhöhe mit 23 bar ergab sich nach der Druckstoßberechnung eine andere Lösung.
Da die Druckstoßberechnung ergab, dass zwischen Pumpenausfall, Abriss der Wassersäule und Entstehen des Druckstoßes nur eine extrem kurze Zeitspanne lag, wurde hier statt des Niedrigdruckpiloten ein Magnetventil verbaut, das bei Pumpenausfall sofort reagiert und die Armatur über einen definierten Zeitraum öffnet.
Das stromlos geschlossene Magnetventil wird dabei in eine Steuerungseinheit integriert, die batteriebetrieben arbeitet und Störungen in der Pumpensteuerung sofort identifiziert.
Schutz der Notversorgungsleitung TB Hardt Richtung Grießen oder Klettgau
- Fördermenge Richtung HB Grießen 50- 100 m³/h bei 7,5 bar oder
- Fördermenge Richtung HB Verband 40 m³/h bei 23 bar
- Leitungslänge 2.500m, Leitung DN250
Die Versorgung vom TB Hardt Richtung HB Verband und Richtung Grießen stellt eine Notversorgung dar. Hier wird entweder mit 23 bar (Richtung Verband) oder mit 7,5 bar (Richtung Grießen) gefördert.
Um die Leitung effektiv zu schützen, setzen wir hier ein Druckentlastungsventil Modell 73Q-45 ein, dass mit zwei Piloten ausgestattet ist. Ein Pilot wird auf 25 bar eingestellt und ist dauerhaft aktiv. Dieser schützt somit die Leitung vor Überschreiten des erlaubten Betriebsdrucks von 25 bar, in dem die Armatur in einem solchen Fall schnell öffnet, den Druck abbläst und anschließend wieder sanft schließt.
Der zweite Pilot wird auf 8,5 bar eingestellt und mit einem stromlos geschlossenen Magnetventil ausgestattet. Wird nun im TB Hardt nicht mehr mit 23 bar Richtung Verband, sondern mit 7,5 bar Richtung Grießen gefördert, wird der Pilot über das Magnetventil kurz aktiviert, bis der Druck im Leitungssystem auf ein für die Leitung verträgliches Maß reduziert ist.
