Durch schnelle Änderungen der Strömungsgeschwindigkeit (Regelung, Absperren) in Rohrleitungen aller Art entstehen Druckschwankungen, die den Auslegungsdruck der Leitung erheblich über- als auch unterschreiten können. Dem Betriebsingenieur fallen diese Druckschwankungen in der Regel als laute Schläge und ruckartige, kurzzeitige Bewegung von Leitungsabschnitten auf. Diese als Druckstöße und Kavitationsschläge beziehungsweise Wasserschläge bekannten Vorgänge werden im Allgemeinen durch die folgenden üblichen Betriebsvorgänge in Anlagen ausgelöst:
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- Pumpenan- und abfahren;
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- schnelle Regelvorgänge von Armaturen;
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- Wiederinbetriebnahme von Anlagen und Anlagenabschnitten;
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- Leckage von Dichtungen (Absperrarmaturen).
Die aus diesen Vorgängen resultierenden Druck- und Kraftspitzen übersteigen die Auslegungsgrößen des üblicherweise für stationäre Betriebsbedingungen ausgelegten Systems bei weitem und führen häufig zu Schäden an Leitungen, Halterungen und Armaturen. Aber auch schon geringere Schwankungen belasten Dichtungen und Messtechnik und können ebenfalls Ursache von Regelungsproblemen und kürzerer Standzeit von Leitungskomponenten sein. Die Vorausberechnung dieser Vorgänge ist in vielen Fällen aufgrund der vielen Einflussparameter jedoch aufwendig und ungenau [1].
Aus diesen Gründen finden in den letzten Jahren Bestrebungen statt, technische Regeln zur dynamischen Strömungsberechnung in Rohrleitungen zu erstellen. Deutschsprachige Richtlinien (DVGW [2], VDI [3]) sind kürzlich erschienen. Methoden zur Vermeidung sind unter anderem:
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- Einsatz von Wasserschlössern, Blasenspeichern oder Windkesseln;
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- Ermittlung optimaler Schließvorgänge von Armaturen;
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- Verringerung von Strömungsgeschwindigkeiten durch Nennweitenerhöhung;
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- Auslegung des Systems auf höhere Lasten;
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- Schwungrädern an Pumpenwellen;
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- spezielle, gedämpfte Armaturen oder -antriebe mit beziehungsweise ohne Hilfsenergie.
Generell ist – wie bei der Berechnung von Leitungsnetzen –auch die Wahl der optimalen (also kostengünstig, bei hoher Anlagenverfügbarkeit) Vermeidungsmethode in der Regel im Einzelfall auf den jeweiligen Produktionsbetrieb zugeschnitten.
Konventionelle Berechnung der Vorgänge
Die Berechnung der Vorgänge ist je nach Betriebsbedingungen der Anlagen zum Teil komplex und umfasst die Haupteinflussgrößen Strömungsgeschwindigkeit, Dichte, Temperatur, Schallgeschwindigkeit der Flüssigkeit, Leitungslänge und Armaturenschließzeit. Daneben sind häufig weitere Parameter wie Armaturen- und Pumpencharakteristik, Anteil von gelösten Gasen in der Flüssigkeit, Strömungsform (unter anderem Pfropfen-, Kolben-, Blasenströmung), Elastizität der Halterungen und Reibungskoeffizienten zwischen Flüssigkeit und Rohrwand sowie in Gleitlagern nicht bekannt. Hinzu kommen Eigenschaften des angewandten Berechnungsprogramms wie numerische Diffusion oder Oszillationen, die bei der Vorhersage die real auftretenden Lastspitzen glätten oder auch zu hoch berechnen können. Eine typische, standardmäßige Berechnung eines Armaturenschnellschlusses in einer Wasserleitung der Nennweite DN100 ist in Abbildung 1 dargestellt [1]. Man erkennt, dass die Übereinstimmung von gemessenem zeitlichem Druckverlauf und Berechnungsprogramm nicht besonders gut ist. Es werden neben Fehlern in der Frequenz der Kavitationsschläge mehrere Druckstöße berechnet, die in der Realität nicht vorkommen. Abbildung 2 zeigt eine Berechnung mit verbesserten Modellen (numerische Stabilisierung, Berücksichtigung von Entgasung bei Druckabfall). Die Vorhersage ist diesmal weitaus besser gelungen.
Die optimale Berechnung von dynamischen Strömungsvorgängen in Rohrleitungen ist jedoch immer auf den Einzelfall abzustimmen und hängt im Wesentlichen von der Erfahrung des Berechnungsingenieurs ab. Parametereinstellungen, die in einer Versorgungsleitung für Trinkwasser zu guten Ergebnissen führen, können in Leitungen aufgrund unterschiedlicher Druckniveaus eines Wasserkraftwerkes schon verfälschte Ergebnisse liefern. Ausgehend von der oben genannten Problematik wurde am Fraunhofer-Institut Umsicht in Oberhausen in Kooperation mit der Firma Ebro Armaturen, Hagen, ein neuartiges Druckbegrenzungssystems PCD (Pressure Control Device) zur Vermeidung von Druckstößen entwickelt und auch patentiert.
PCD : Eine innovative Entwicklung zur Vermeidung von Druckstößen
Hierbei handelt es sich um ein zuverlässiges, leicht einsetzbares und passives Sicherheitssystem, das keine zusätzliche Hilfsenergie benötigt.
Das auf einen Standardantrieb einer Schließ- oder Regelarmatur formschlüssig aufgesetzte PCD enthält einen inneren hydraulischen Kreislauf, der beim Stellvorgang der Armatur in Bewegung gesetzt wird. Gleichzeitig ist das PCD über eine Impulsleitung mit der Hauptleitung hydraulisch wirksam verbunden. Erreicht nun –aufgrund des Drosselvorgangs –der Druck in der Rohrleitung einen unzulässig hohen Wert, so wird der hydraulische Umlauf im PCD und damit das weitere Schließen der Armatur solange gestoppt (formschlüssige Verbindung) bis der Druck in der Hauptleitung wieder abfällt. Die Armatur schließt aber in jedem Fall –failsafe –durch einen inneren Bypass im PCD mit voreingestellter Zeitkonstante. Für unterschiedliche stationäre Strömungsgeschwindigkeiten wird in Abbildung 3 der zeitliche Druckverlauf mit und ohne PCD skizziert. Parameter ist die stationäre Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit im Rohr (1 bis 5 m/s). Man erkennt, dass auftretende Druckspitzen um bis zu 90 Prozent reduziert werden und die Leitung auf kleinere Druckstufen ausgelegt werden kann. Der Einsatz eines PCD führt damit durch Senkung der Investitions- und Instandhaltungskosten zu einer preiswerten Lösung und verbessert die Sicherheit und Verfügbarkeit von Anlagen.
PCD sichert Leitungen gegen dynamische Druck- und Kraftlasten
Abbildung 4 zeigt das Einbauschema in einer Ringleitung der Fiege Brauerei in Bochum. Die Leitung wird aus hygienischen Gründen in beiden Strömungsrichtungen betrieben, wobei beim Umschalten bislang laute Schläge und Erschütterungen im gesamten Anschlussbereich auftraten (Länge der Leitung: etwa 600 m). Durch den Einsatz von zwei PCD-Systemen wurden die Schläge nahezu auf Null reduziert.
Aus Abbildung 5, in der der zeitliche Verlauf von Druck (links) und Armaturenstellung (rechts) dargestellt ist, erkennt man die Wirksamkeit des PCD-Systems. Der ohne PCD entstandene Druckstoß von etwa 50 bar wird durch Anwendung des Systems auf ungefähr 12 bar gesenkt. Die Schließzeit der Armatur erhöht sich zwar dabei von 0,5 auf etwa 2s, jedoch muss berücksichtigt werden, dass aufgrund der Armaturencharakteristik nur ein kleine Menge (etwa 10 bis 15 Prozent) Flüssigkeit mehr austritt im Vergleich zum Schalten ohne PCD. Damit wird PCD interessant zur Sicherung von Leitungen gegen dynamische Druck- und Kraftlasten.
Literatur
[1] Neuhaus, T.; Dudlik, A.; Fahlenkamp, H.; „Examination of Numerical Methods and Physical Modelling of Condensation Induced Water Hammer Including Gas Release“; The Practical Application of Surge Analysis for Design and Operation, 9th International Conference on Pressure Surges, Chester 3/2004, pp. 569-580 [2] DVGW Arbeitsblatt 303 „Dynamische Druckänderungen in Wasserversorgungsanlagen“; DVGW, Bonn; August 2003 [3] VDI 6006 „Druckstöße in Trinkwasseranlagen; Ursachen und Vermeidung“; VDI-Gesellschaft Technische Gebäudeausrüstung; Fachbereich Sanitärtechnik; Ausschuss VDI 6006 [4] E. B. Wylie, V. L. Streeter und L. Suo, Fluid Transients in Systems, Prentice Hall, Englewood Cliffs 1993 [5] H.-B. Horlacher, H.-J. Lüdecke: Strömungsberechnung für Rohrsysteme, expert Verlag, Ehningen bei Böblingen, 1992 [6] H.-M. Prasser, A. Dudlik, S. B. H. Schönfeld, A. Apostolidis, S. Schlüter , “Sichere Rohrleitungssysteme: Vermeidung von Druckstößen und Kavitationsschlägen“ Technische Überwachung Bd. 43 (2002) Nr. 6 – Juni 2002, s. 10 – 12 [7] Internet: www.rohrleitungstechnologie.de
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