Abwasserhebeanlagen: Reduktion der Wartungskosten mit Drucktransmittern

Abwasserhebeanlagen: Reduktion der Wartungskosten mit Drucktransmittern

Es gibt mehr als 2 Millionen Abwasser Aufzug- oder Pumpstationen allein in den Vereinigten Staaten. Alle arbeiten nach dem gleichen Prinzip und mit dem gleichen Ziel: Abwasser von einer Ebene auf eine höhere Ebene zu bewegen. Die Installationskosten reichen hierbei von 150’000 $ (20 Gallonen pro Minute) bis zu 1.5Mio $ (bis zu 100.000 Gallonen pro Minute) basierend auf Kapazität und Komplexität der Anlage. Neben der enormen Entwicklung der Pumpentechnik, hat besonders eine kleine Komponente, welche für die Pumpensteuerung undZuverlässigkeit der Station wesentlich ist, eine bedeutende Entwicklung in den letzten Jahren erfahren: der Füllstandssensor. 

Abbildung 1: Typisches Schema einer Abwasserhebestation mit Füllstandssensor (Drucktransmitter) und der dazugehörigen Hardware

Der Füllstandssensor liefert eine elektrische Rückkopplung zur Pumpe, wann diese ein- und auszuschalten ist. Traditionell wurden Schwimmer, die ein entsprechendes Signal an die Pumpe bei hohen und niedrigen Pegeln liefert, verwendet. Sogenannte Bubbler Systeme werden ebenfalls verwendet, obwohl sie bezüglich Wartung mit der Forderung nach einem kontinuierlichen Gasstrom enorm anspruchsvoll sind. Heute gibt es viele Sensortechnologien um Flüssigkeitspegel zu messen, wie Radar oder Ultraschall. Diese sind oftmals entweder für eine relativ einfache Abwasserhebestation im Preis  zu hoch oder aufgrund der Betriebsumgebung unzuverlässig. Um den Umweltbedingungen standzuhalten und eine kontinuierliche und zuverlässige Überwachung zu gewährleisten, wurden in den letzten Jahren vermehrt hydrostatische Druckmessumformer eingesetzt.

Die Technologie

Eine Reihe von Herstellern wie STS haben spezielle Sensoren für diese Anwendung entwickelt. Ein Beispiel hierfür ist die ATM/K/N wie unten gezeigt.

Abbildung 2: Füsstandssensor mit Keramik-Messzelle

Da viele Abwasserhebeanlagen sich an schwer zugänglichen Stellen befinden, ist Zuverlässigkeit eine der wichtigsten Anforderungen. Dies erfordert ein gutes Design mit hohem Anspruch an die Dichtungen. Aufgrund der Natur des Abwassers muss das Sensorelement auch ein Verstopfen vermeiden. Dieses Problem wird aufgrund der Zunahme von sogenannten FOG (Fette und Öle), welche mit der zunehmenden Beliebheit von Fast-Food-Restaurants zusammenhängt, immer wichtiger. Die Verwendung von keramik-kapazitiver Sensortechnologie ermöglichen hierbei den Bau von robuste Sensoren. Die Messperformance wird mit hoher Präzision erreicht: besser als 0,1% Gesamtfehler zur exakten Bestimmung von Abwasserniveaus von nur ein paar Zentimeter Pegeldifferenz.

Die Technologie ist zudem robust gegen einen sehr hohen Überdruck von mindestens dreimal des Nennbereichs ohne Verschlechterung der Sensorleistung. Dies schützt den Sensor vor Schäden durch beispielsweise Gegendruck. Das Gehäuse wird im allgemeinen aus Edelstahl hergestellt. Ist das Medium sehr korrosiv, wird oft Titan bevorzugt.

Ein weiteres Designmerkmal ist der elektrische Anschluss: Unterschiedliche elektrische Ausgänge einschließlich der beliebtesten 4-20 mA Schnittstelle (verfügbar sind 2-Draht-Versorgung oder 1-5 Volt) sind erforderlich. In einigen Fällen möchten Anwender den Druckbereich des Transmitters frei wählbar einstellen. Dies kann über eine digitale Schnittstelle erfolgen, um einen Endwertebereich (Turndown) von bis zu 10% des ursprünglich festgelegten Bereichs zu definieren. Die Transmitter können mit einem vollen  voreingestellten Druckbereich geliefert und anschliessend für jede Abwasserhebestation optimal angepasst betrieben zu werden. In Liftstationen, in denen gefährliche Gase vorhanden sind, müssen eigensichere Drucktransmitter angewendet werden.


Auch der Kabelanschluss ist wichtig, nicht nur zur Verbindung mit der Steuerung, sondern auch um einen Auslass für das Entlüftungsrohr auf den Atmosphärendruck sicherzustellen. Dies ist entscheidend, um einen korrekten Betrieb des Drucktransmitters zu gewährleisten, da dieser sonst durch Änderungen des Luftdruckes beeinträchtigt werden könnte. Allerdings muss das Entlüftungsrohr gegen das Eindringen von Feuchtigkeit geschützt werden. Es gibt viele Techniken um die langfristige Zuverlässigkeit des Transmitters zu gewährleisten, wie die Verwendung von Trocknungsmittel innerhalb des Abschlussgehäuse. STS hat ein versiegeltes Mylar-Gehäuse entwickelt, welches keine Wartung erfordert und somit kann auf die Verwendung von Trocknungsmitteln oder Verbrauchsmaterialien vollständig verzichtet werden.

Da die Niveausonde relativ leicht ist und der Transmitter bevorzugt ein paar Zentimeter vom Tankboden positioniert werden soll, verwendet man häufig Gewichte. Diese Art der  Gewicht wird manchmal auch als “Vogelkäfig” betitelt. Der “Vogelkäfig” kann vom Transmitter bei Bedarf entfernt werden, in vielen anderen Fällen jedoch ist er in den Transmitter integriert.

Schlussfolgerung

Tauchsonden nach neuestem Stand der Technik sind besonders zuverlässig und weitgehend wartungsfrei. Füllstandsüberwachungen, Überwachungen von Pumpensteuerungen für Abwasserhebeanlagen oder der Pegelstand von tiefen Brunnen lassen sich damit problemlos meistern. Die hydrostatischen Pegelsonden überwachen kontinuierlich die Abwasserniveaus  und sorgen hierbei für einen reibungslosen Betrieb der Anlage.

Pegellogger überwachen Wasserstand in Venedig

Pegellogger überwachen Wasserstand in Venedig

Der Markusplatz säuft nicht ab: Um den Grundwasserspiegel am Markusplatz kontinuierlich zu messen, kommen Datenlogger aus dem Hause STS zum Einsatz. Diese sind besonders robust und eignen sich für den Einsatz in verschiedenen Anwendungen.

2003 hat die Firma S.P.G. begonnen, am Markusplatz in Venedig mehrere Grundwasser Datenlogger zu installieren. Diese sind für die spezifischen Anforderungen ausgelegt und besitzen vor allem die Eigenschaft, mehrere Tage unter salzhaltigem Wasser auszuhalten, da der Markusplatz bei steigender Flut regelmäßig überschwemmt wird. Die Baustelle steht im Zusammenhang mit den von der Gewässeraufsichtsbehörde eingeleiteten Arbeiten zum Schutz der Lagune und der Stadt Venedig vor Hochwasser.

Das beauftragte Konsortium Venezia Nuova sah den Neubau der Kaianlage gegenüber dem Markusplatz mit innovativen technischen Einzelheiten vor. Die Anforderung bestand darin, den Verlauf des Grundwassers zu überwachen, das sich nach und nach vom Baustellenbereich zu den dahinter liegenden Gebäuden verschob. Daher wurden auf Anforderung des Auftraggebers Pegel-Datenlogger von STS installiert, um kontinuierlich die Schwankungen des Grundwasserspiegels zu messen.

Der Grundwasser Datenlogger ermöglicht die gleichzeitige Messung von Pegel, Temperatur und Leitfähigkeit im Bereich von 0…50 cmWS bis 0…250 mWS, -5 bis 50 °C und 0,020…20 mS/cm. Bei Bedarf kann der Anwender jederzeit eine Datenfernübertragungs-Einheit nachrüsten. Der Logger zeichnet sich die durch einfache, benutzerfreundliche Bedienung, einen großen Messwertspeicher von bis zu 1.5 Millionen Messwerten und einen Sondendurchmesser von nur 24 mm bzw. 10 mm aus.

Die steckbaren Ausführungen bieten die Möglichkeit der Kabelverlängerung. Neue Softwarefunktionen lassen sich ohne umständliche Rücksendung durch den Anwender aktualisieren. Die handelsübliche Lithium batterie lässt sich mit wenigen Handgriffen vor Ort austauschen. Daten können im ASCII- oder XML-Format übertragen und in Standard-Software wie Excel weiter verarbeitet werden. Variable Speicherintervalle in Abhängigkeit vom Druck oder der Zeit erlauben vielfältige Messungen.

Durch die Verwendung verschiedener Materialien wie Edelstahl, Titan, PUR, PE oder Teflonkabel wird eine hohe Medienverträglichkeit für verschiedenste Anwendungen wie Deponien, Altlasten, Pumpversuche, Hochwassermeldungen und Abschlagserfassung an Regenüberlaufbecken erreicht.

Erstpublikation:   Magazin konstruktion 

Wasser trotz Trockenzeit

Wasser trotz Trockenzeit

Wasserbau Experten des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) haben in einer Karsthöhle auf der indonesischen Insel Java ein unterirdisches Stauwerk mit integrierter Wasserkraftanlage errichtet. Das 100m unter der Erdoberfläche gelegene Kraftwerk liefert nun während der Trockenzeit reichlich Wasser aus der Höhle. Dabei messen zwei Datenlogger die Wasserhöhe vor und hinter der Staumauer. Der Pegel des Oberwassers beträgt 15 – 20 m, während er im Unterwasser, wo das Wasser wieder aus der Turbine austritt, höchstens 2 m erreicht.

Das Karstgebiet Gunung Kidul an der Südküste Javas ist eine der ärmsten Regionen Indonesiens. Für eine ertragreiche Ernte ist der Boden zu karg und in der Trockezeit versiegen die Fliessgewässer. Das Wasser der Regenzeit versickert zwar rasch, es sammelt sich aber in einem unteririschen Höhlensystem. Dieser natürliche Wasserspeicher wurde mit dem Höhlenkraftwerk erschlossen. Die Tatsache, dass selbst in der Trockenzeit über 1’000 Liter Wasser/s durch die Höhle Bribin fliessen, spricht für die ideale Lage des Stauwerks. Anstelle komplexer Turbinen wird die mechanische Energie zum Antrieb der Förderpumpen über invers betriebene Kreispumpen erzeugt. Die fünf parallel betriebenen Fördermodule sind somit sehr kostengünstig und benötigen lediglich geringen Betriebs- und Wartungsaufwand. Die Förderpumpen drücken einen Teil des Wassers 220 m hoch in einen auf einem Berg gelegenen Speicher mit dem Namen Kaligoro-Reservoir. Mit dem geglückten Probeeinstau wurde der Knackpunkt des Projekts überwunden. Die Höhle hält das Wasser tatsächlich und die notwendige Stauhöhe von 15 m wird erreicht.

Im März 2010 wurde die Anlage an die indonesischen Behörden übergeben. Nun kann sie 80’000 Menschen mit bis zu 70 Liter Wasser am Tag versorgen. Bisher standen den Bewohnern in der Trockenzeit 5 – 10 Liter am Tag für Körperpflege, Haushalt und Vieh zur Verfügung. Übrigens, jeder Deutsche verbraucht dafür im Schnitt 120 Liter.

Funktion der Drucklogger

Die Drucklogger messen die Wasserhöhe vor und hinter der Staumauer. Die Normalhöhe ist 15 m, im Hochwasserfall kann es bis zu 20 m werden. Die andere Sonde misst den Wasserstand im Unterwasser, nämlich dort, wo das Wasser aus der Turbine austritt. Dort werden Höhen bis 2 m erfasst. Die Wahl fiel auf den Drucklogger von STS wegen ihrer hohen Überlastfestigkeit von 3x Messbereichsendwert, der geringen Kennlinienabweichtung von maximal 0,1% und der hohen Langzeitstabilität zwischen 0,1 % und 0,5 % FS pro Jahr.

Die Pegellogger bieten Druckbereiche zwischen 0 – 100 mbar und 0 – 600 bar und ermöglichen somit Pegelmessungen im Bereich von 0 – 100 cmWS bis 0 – 6’000mWS. Das Messintervall ist zwischen 0,5 s und 24 h einstellbar. Der Messwertspeicher von bis zu 1,5 Millionen Messwerten und ein geringer Sondendurchmesser zeichnen die Geräte aus. Ausserdem kann man handelsübliche Litiumbatterien mit wenigen Handgriffen vor Ort austauschen.

Variable Speicherintervalle in Abhängigkeit vom Druck oder der Zeit erlauben flexible Messungen. Durch die Verwendung verschiedener Materialien wie Edelstahl, Titan, PUR, PE oder Teflonkabel erreicht man eine hohe Medienverträglichkeit für verschiedenste Anwedungen. Neben der Pegelaufzeichnung von Grundwasser, Brunnen, Bohrlöchern, Seen und Flüssen eignen sich die Pegellogger auch zur Dichtigkeitsprüfung im Gas-, Wasser- und Rohrleitungsbau, zur Rohrnetzanalyse sowie zur Druckprüfung im Gas-, Wasser- und Fernwärmerohrnetz. Auch in Gasdruck-Regelstationen sowie zum Nachweis eines konstanten Versorgungsdrucks haben sie sich optimal bewährt.

Quellen:   Karlsruher Institut für Technologie (KIT) – Institut für Wasser und Gewässerentwicklung (IWG)

Füllstandsüberwachung zur Pumpensteuerung in Regen- und Abwassertanks

Füllstandsüberwachung zur Pumpensteuerung in Regen- und Abwassertanks

Die Wasserversorgung und Abwasserentsorgung unterscheidet sich je nach lokalen Gegebenheiten. In belgischen Gebäuden liegen viele Keller tiefer als die Kanalisation. Die Abwasserentsorgung muss entsprechend über Pumpen geregelt werden.

Das belgische Unternehmen Pumptech stellt Hausbesitzern und -verwaltern leistungsfähige industrielle Pumpen zur Verfügung, über die der Wasserkreislauf in den Gebäuden zum Teil geregelt wird. Das ist in verschiedenen Regionen Belgiens notwendig, weil sich die Keller der dortigen Gebäude oft unterhalb der Kanalisation befinden.

Da das Abwasser also nicht direkt in die Kanalisation fliessen kann, wird es in Tanks zwischengespeichert. In diesen Gebäuden wird oft übrigens auch Regenwasser gesammelt und für Sanitäranlagen genutzt. So wird auf dem Dach auftreffendes Regenwasser in unterirdische Tanks geleitet und steht dort zur weiteren Nutzung bereit. Als Abwasser fliesst es dann schliesslich in die separaten Abwassertanks, von wo es über Pumpen in die Kanalisation gepumpt wird.

Ob Abwasser- oder Regenwassertanks: Die Überwachung des Füllstands ist für einen geregelten Betrieb der Pumpen unerlässlich. Dafür setzt Pumptech seit nunmehr 15 Jahren ATM.ECO/N Tauchsonden ein. Ursprünglich wurde die Füllstandsüberwachung durch Schwimmerschalter geleistet. Wie sich mit der Zeit zeigte, eine unbefriedigende Lösung – vor allem in Bezug auf die Abwassertanks. Der grosse Nachteil von Schwimmerschaltern im Vergleich zu Tauchsonden ist, dass sie durch auf der Wasseroberfläche treibende Verunreinigungen schnell verschmutzen und nicht mehr ordnungsgemäss arbeiten. Und das kann weitreichende Konsequenzen haben: Denn über die Messung des Füllstands werden die Pumpen gesteuert. In der Regel befinden sich zwei bis drei Pumpen in den Tanks. Wird ein vorher festgelegter Füllstand überschritten, geht die erste Pumpe in Betrieb, beim nächsthöheren die zweite. Auch Alarme können ausgelöst werden, sind bestimmte Grenzwerte erreicht.

Im Wasser treibende Verschmutzungen können Tauchsonden, die gewöhnlich am Boden des Tanks installiert werden, wenig anhaben. Nachdem Pumptech verschiedene Anbieter getestet hatte, fiel die Wahl letztlich auf die analoge Pegelsonde ATM.ECO/N von STS, da diese am besten den Anforderungen im Vergleich zu den Mitbewerben hinsichtlich der geforderten Langzeitstabilität entsprechen. Seitdem funktioniert die Steuerung der Pumpen ohne Zwischenfälle.

Für die ATM.ECO/N Tauchsonden spricht die aus hochwertigem, rostfreien Stahl gefertigte und vollständig abgeschlossene Membrane. Ein Feuchtigkeitsfilter am Druckanschlusskabel verhindert ebenfalls, dass Wasser oder andere Verschmutzungen in die Messzelle eindringen können. Ein weiterer Pluspunkt: Durch die im Vergleich zur vorhergehenden Schwimmerschalter-Lösung viel bessere Reaktionszeit sehen Anwender sofort, was in den Tanks vor sich geht.

Das Datenblatt der ATM.ECO/N Pegelsonde finden Sie hier (PDF Download).