IntelliNet-Bewirtschaftungssysteme - Schwankungen im Griff haben!

Einleitung

Der Bedarf an Ressourcen wie Gas, Strom, Wasser und Mobilität ist mehr oder weniger schwankend.

Er steht im Zusammenhang mit den Erfordernissen, Gewohnheiten und Ereignissen. Die meisten Bereiche der Infrastruktur werden entsprechend unterschiedlich beansprucht. Schwankungen intelligent im Griff haben, ist die Devise!

Veranschaulichen lassen sich die Beanspruchungen mit den Schwankungen in der Wasserwirtschaft durch die unterschiedlichen Tagesverbräuche von Wasser mit den häuslichen Bedarfsspitzen in den frühen Morgenstunden, Mittags- und Abendzeiten. Hinzu kommen die ebenso schwankenden Bedarfe aus Gewerbe, Industrie und Landwirtschaft.

Bereits bei der Planung von Rohrleitungen und Anlagentechnik gilt es, auf die eher kurzfristigen Spitzenverbräche entsprechend zu dimensionieren. Dies bedeutet jedoch während der bedarfsarmen Zeiten eine zwangsläufige Überdimensionierung

Abb. 1 Infrastrukturelle Schwankungen
Wie ist dem Schwankungs- bzw. dem Dimensionierungsdilemma zu begegnen?

Eine Lösung wären skalierbare Rohr-und Anlagentechnik. Das bedeutet im Idealfall dehnbare Rohrleitungen – hier befinden sich jedoch technische und wirtschaftliche Grenzen.

Die Lösung für Schwankungen heißt daher in fast allen Bereichen der Infrastruktur, Speicher und Regeleinrichtungen vorzusehen. Beim Strom sind es die Batterien oder die Pumpspeicherwerke, beim Gas die Kavernen, in der Wasserversorgung die Hochbehälter und die Wassertürme, beim Abwasser die Regenbecken, beim Gewässer die Hochwasserpolder. Um die Speicherkapazitäten eines Netzes maximal zu nutzen, Energiekosten auf ein Minimum zu reduzieren und dabei die Betriebssicherheit zu optimieren, ist Netzbewirtschaftung der Schlüssel zum Erfolg.

Nutzen/Funktionsweise

Die Infrastruktur ist eine Schwankungswirtschaft!

Mit möglichst langfristig gesammelten Daten über die auftretenden Lastsituationen lassen sich Speicher entsprechend dimensionieren und durch Regelvorrichtungen bewirtschaften. Die Bewirtschaftung und zielführende Nutzung der Speicher erfolgt in der Regel durch lokale Mess-, Automatisierungs- und Regeleinrichtungen. Befinden sich die Anlagen und deren Nutzung im Verbund, so müssen sie durch Informations- und Kommunikationstechnologien vernetzt werden.

Die Wasserversorgung von Städten und Gemeinden war bereits in frühester Zeit dezentral organisiert und vernetzt, da Standorte von Brunnen und Quellen im Versorgungsgebiet verteilt sind. Eine mögliche Erweiterung durch ein intelligenteres Steuerungsverfahren wäre die gleichmäßige Auslastung von Brunnenanlagen durch Berücksichtigung der Grundwasserpegel der einzelnen Brunnen und somit eine gleichmäßige Grundwasserbelastung.

Abb. 2 Netzplan Wasserversorgung

Was in der Wasserversorgung gängige Praxis ist, also eine durch Kommunikationstechnik vernetzte Automatisierung der Prozesse, ist in den Kanalisationsnetzen heute eher die Ausnahme.

Die in den Mischwassersystemen baulich errichteten Speicher in Form von Regenbecken und Staukanälen dienen zum einen als hydraulischer Speicher, um Rohrleitungen kleiner zu dimensionieren, und zum anderen als Rückhaltevorrichtung für den Gewässerschutz. Sind die Speichervolumina bei Starkregen erschöpft, laufen diese über und leiten das überschüssige Abwasser in die Gewässer ein. Die ungereinigte Ableitung in natürliche Gewässer ist schädlich, insbesondere durch die zunehmende Belastung des Niederschlagswassers durch Schadstoffe wie Mikroplastik.

Abb. 3 Abwassernetz mit Zentral- und Sonderbauwerken

Die Abflussregelungen an den Regenbecken, welche für den Einstau und die Entleerung der Speicher sorgen, werden statisch mit einem festen, wasserrechtlich genehmigten Sollwert betrieben, obwohl es aufgrund des Niederschlaggeschehens zu einer vom Bemessungsfall abweichenden Beanspruchung der Speichervolumina in den Netzen und Regenbecken kommen kann. Sowohl bei normalen und ungleichmäßig verteilten Niederschlägen als auch bei Starkregenereignissen kann es zu dieser abweichenden Beanspruchung kommen.

Aus Sicht der Gewässer ist das nicht die optimale Lösung, denn so kann es zu Überlaufereignissen von Abwasser in die Gewässer kommen, obwohl möglicherweise noch Speicherraum oder Abflusskapazitäten im System vorhanden sind. Wie ist in Erfahrung zu bringen, ob und wieviel Speicher- und Abflusspotential in meinem Entwässerungs- und Speichersystem vorhanden und aktivierbar ist?

Zunächst einmal gilt es, das Abflussgeschehen in Kombination mit den Niederschlägen über längere Zeiträume aufzuzeichnen. Liegen diese Daten vor, erfolgt unter Einbeziehung von Bestandsdaten – wie baulichen, geometrischen Größen, Netzplänen und den an den Regeleinrichtungen eingestellten Parametern und Stellgrößen.- eine erste Auswertung und Analyse der Daten, um das ungenutzte Speicherpotential zu ermitteln. Diese Analyse dient insbesondere als Entscheidungsgrundlage für die Planung eines Netzbewirtschaftungssystems.

Abb. 4 Abflussregelung
Angenommen, es ist ausreichend Potential vorhanden – wie sieht nun ein solches System aus und wie arbeitet und wirkt es?

Als Erstes erhalten die bereits im Einsatz befindlichen Automations-, Überwachungs- oder Fernwirksysteme einige IntelliNet-Zusatzkomponenten in Form von Hard- und Software. Diese Komponenten sorgen dafür, dass alle Prozessdaten als Gesamtprozessabbild auf einem übergeordneten Bewirtschaftungssystem online zur Verfügung stehen.

Das IntelliNet-Bewirtschaftungssystem verfügt über eine Software, die es ermöglicht, über ständige Prognosen und Ist-Abgleiche das Abfluss-und Einstaugeschehen vorherzusagen. Entsprechend der Vorhersage und der im System abgebildeten Netz-und Speicherstruktur kann das System ermitteln, wie bei prognostizierten Niederschlägen die Abflussregelungen zielgerichtet eingestellt sein sollten, um das im Netz vorhandene Volumen sowie die Abflusskapazitäten auszunutzen, Abschläge zu vermeiden oder die Zulaufmenge zur Kläranlage zu regulieren.

Das IntelliNet-Bewirtschaftungssystem sollte stets mit einem SCADA-System – betrieben werden. Mit Hilfe des SCADA-Systems kann der aktuelle Prozess eingesehen und ausgewertet werden, es unterstützt bei auftretenden Störungen und dokumentiert das Betriebsverhalten in Form von Ganglinien und Berichten. Ein Nachweis der Funktionsweise der Bewirtschaftung ist somit jederzeit möglich.

Abb. 5 Die drei Ebenen des IntelliNet Systems für 4.0-Netzbewirtschaftung
Abb. 6 SCADA V10 Visualisierungsbild

Upgrade

Um die meist zusätzlich erforderliche Regelbandbreite für die statisch dimensionierten Abflussregelungen zu erhalten, werden diese erweitert, modernisiert bzw. angepasst oder ersetzt.

Rein mechanische Abflussregler erhalten ein Upgrade mit einstellbaren Elektro-Regelschiebern. Die Nutzung von etwaig vorhandenen Notumläufen, ebenso durch Nachrüstung von Elektroschiebern, ist dabei eine häufig mögliche, wirtschaftliche und zielführende Maßnahme.

Speicher und Regenbecken, welche durch Pumpen entleert werden, können die Abflussbandbreite durch Drehzahlregelungen erzielen. HST verfügt am Markt über ein vollständiges Lösungsportfolio zum Thema Durchfluss-bzw. Abflussregelungen sowohl für Neubau als auch für die Sanierung und Umrüstung.

In Kombination mit IntelliNet können so die Speicherräume und Abflusskapazitäten eines gesamten Entwässerungssystems entsprechend der Zielstellungen bewirtschaftet werden.Neben der erforderlichen 4.0 Ausrüstung gehören auch die Dienstleistungen zur Auswertung und Analyse sowie zur Einrichtung und Parametrierung des Bewirtschaftungssystems zum Leistungsumfang von HST.

Abb. 7 Portfolio Abfluss-Durchfluss-Überfall

Anwendungsbeispiele:

Schwelm – Beckenbewirtschaftung

Das Ziel ist die Ausnutzung des vorhandenen Stauvolumens im Kanalnetz, welches hauptsächlich durch 4 von 6 Zulaufsträngen zur Kläranlage generiert wird. Als Zulaufstrang wird dabei ein Teilabschnitt des Kanalnetzes bestehend aus teils mehreren, kaskadenförmig angeordneten Regenbecken bezeichnet. Ein weiteres maßgebliches Ziel ist die Reduktion von Entlastungen in den Vorfluter, die Schwelme. Unter der Bedingung, dass der maximale Zulauf zur Kläranlage eingehalten wird, liegt die Genehmigung zur dynamischen Regelung der Drosselwassermengen der RÜBs vor. Die bereits mittels DSL / Funk und durch TeleMatic Fernwirktechnik vernetzten Anlagen wurden um eine IntelliNet-Master Steuerung erweitert, welche eine füllgradbasierte dynamische Regelung der Drosselwassermengen realisiert. Das Bewirtschaftungssystem wird durch SCADA V10 permanent überwacht.
Im Ergebnis wird Stauvolumen im Kanalnetz besser ausgenutzt, die Entlastungen verringert und somit ein Schutz des Vorfluters, der Schwelme, erreicht.

Oberhausen – Kanalnetzbewirtschaftung

Das Ziel der Kanalnetzbewirtschaftung ist den Wasseraustritt bzw. die Entlastung im dichteren Stadtgebiet zu vermeiden und stattdessen den unvermeidbaren Wasseraustritt in den Grünbereichen zu tolerieren. Für die Umsetzung wurde fünf vorhandene Steuerstellen im Kanalnetz ausgewählt. Das Kanalnetz bietet durch Aufweitung entsprechendes Rückhaltevolumen. Anschließend wurde eine die Simulation des Kanalnetzes mit Bemessungsregen unterschiedlicher Wiederkehrzeit (Jährlichkeit) durchgeführt. Das Ergebnis führte zur Nachrüstung von Messtechnik an markanten Stellen zur Steigerung der Datenlage und zur Parameteranpassung an den ausgewählten der Steuerstellen. Als Ergebnis wird der städtische Bereich vor Wasseraustritt durch gezielte Entlastung im Grünbereich geschützt.

Regelwerke:

  • DWA-M 180
  • DWA-A 102
  • DMA-M 176

Musterprojekt Anfordern

Bei der Dimensionierung und Konfiguration von Abflussregelungen gibt es zahlreiche weitere Aspekte und Erfahrungen zu berücksichtigen. Einige können wir über unsere Checkliste erfahren, am leichtesten und sicher ist es jedoch im Gespräch mit unseren Fachingenieuren im Planerservice die Rahmenbedingungen und Anwendung im Dialog abzustimmen. Dort können Fragen zur hydraulischen sicheren Bemessung und Auslegung, zur Anordnung, zur Einbringung in das Bauwerk, zur Schaltanlage, zu Anschlüssen und Kabelwegen, zur Prozessüberwachung und Wartung individuell erörtert werden. Mit den gewonnenen Informationen können wir Ihnen dann einen passgenauen und zukunftSicheren Vorschlag ausarbeiten!

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