Antriebe in Hochwasserschutzsystemen

Die Welt ist voll von Orten, die von Überschwemmungen bedroht sind - eine uralte Waffe im Kampf gegen Katastrophen ist die Wasserpumpe. Lesen Sie, wie Wasserpumpen dank der drehzahlvariablen Antriebe, die sie steuern, immer effizienter werden.

Nach Schätzungen der Weltgesundheitsorganisation haben Überschwemmungen zwischen 1998 und 2017 das Leben von über zwei Milliarden Menschen weltweit beeinträchtigt. Neben der unmittelbaren Gefahr für das menschliche Leben können Überschwemmungen auch landwirtschaftliche Flächen (häufig in Überschwemmungsgebieten) verwüsten und sowohl die baulichen als auch die infrastrukturellen Anlagen in bebauten Gebieten beschädigen

Angesichts der zunehmenden Intensität der Niederschläge und des Anstiegs des Meeresspiegels - beides beobachtete Folgen des Klimawandels - ist damit zu rechnen, dass schwere Überschwemmungen zumindest kurz- und mittelfristig häufiger auftreten werden.

Hochwasser wird mit einer großen Wasserpumpe von einer Straße weggepumpt

Die Technik vor dem Einsatz von Pumpen beschränkte sich weitgehend auf den Bau von Erdwällen, Dämmen und Umleitungskanälen. Die Dampfmaschine ermöglichte es den Viktorianern in Ostengland, leistungsstarke Pumpen zu betreiben, so dass das Land unterhalb des Meeresspiegels gut genug für die Landwirtschaft entwässert werden konnte. Die Dampfkraft wich im zwanzigsten Jahrhundert der Macht des Diesels und dann - ab den 1970er Jahren - der Elektrizität.

Effiziente Hochwasserpumpensysteme: Strategien für ein unvorhersehbares Wassermanagement

Hochwasser ist per Definition unvorhersehbar. Wenn es nach einer langen Trockenperiode in einem potenziell überwältigenden Ausmaß eintrifft, müssen Pumpen, die eine Zeit lang stillstanden, sofort, kraftvoll und effizient aktiviert werden, um große Wassermengen (die größte Pumpstation der Welt außerhalb von New Orleans kann 150.000 Gallonen Hochwasser pro Sekunde befördern) bei ständig schwankenden Durchflussmengen zu transportieren.

Unterschiedliche Reaktionsstärken auf das Hochwasserereignis werden in erster Linie durch eine unterschiedliche Anzahl von Pumpen erreicht, die im Einsatz sind.

Mehrere Pumpen sind bei Hochwasserschutzsystemen ein Muss (selbst bei den kleinsten Konstruktionen muss eine Betriebspumpe eine Reserve haben). Die Verteilung der Arbeit auf eine größere Anzahl kleinerer Pumpen anstelle weniger größerer ist der erste Schritt zu einem sichereren und besser kontrollierbaren System. Je kleiner die Pumpe ist, desto weniger ist sie durch Probleme mit Treibgut, Wirbeln und Lufteinschlüssen gefährdet.

Danach sind drehzahlvariable Motoren eine Voraussetzung dafür, dass die Pumpen die besondere Dynamik des Hochwasserverhaltens mit optimaler Effizienz bewältigen können.

Das direkte Anlaufen (oder Anhalten) einer Hochwasserpumpe kann infolge der abrupten Änderung der Durchflussmenge durch die Rohrleitung zu Wasserschlägen führen. Diese hydraulischen Stöße verkürzen die Lebensdauer der Geräte und führen zu Leckagen an Verbindungsstellen und Rohrbrüchen. Der Einsatz von Softstartern oder frequenzvariablen Antrieben (VFD) sorgt für eine sanfte Beschleunigung der Pumpendrehung bis zur Nenndrehzahl, wobei VFDs den zusätzlichen Vorteil bieten, dass die Motordrehzahl danach vollständig geregelt wird.

Obwohl dies grundsätzlich wünschenswert ist, kann eine effiziente Drehzahlregelung von Hochwasserpumpenmotoren eine komplexe Angelegenheit sein.

So ist es zwar unter dem Gesichtspunkt des Energieverbrauchs sinnvoll, dass ein Motor mit variabler Drehzahl nicht schneller läuft als unbedingt erforderlich, aber Pumpen und Rohre, die große Mengen an Hochwasser bewältigen müssen, sind je nach Konstruktion mehr oder weniger anfällig für die Ansammlung von Sedimenten. In Anlagen, in denen dies ein Problem darstellt, kann die Sedimentablagerung durch eine gleichbleibend hohe Drehzahl auf ein Minimum reduziert werden - und damit auch die mechanische Belastung der Motoren

Wichtig ist auch, dass es die Pumpen nicht übertreiben. In einem Gebiet wie den Sümpfen rund um den Fluss Great Ouse beispielsweise muss der Wasserstand so gesteuert werden, dass die Schifffahrt (heute Freizeitboote, früher Handelsschifffahrt) möglich ist. Mit anderen Worten: Es muss ein Gleichgewicht gefunden werden, das weder zu einer Unter- noch zu einer Überentwässerung führt.

Worin besteht also die Herausforderung für die Planer von Wasserpumpensystemen?

Der Planer eines Hochwasserschutzsystems muss daher sorgfältig die Zielwasserstände in der zu schützenden Umgebung ausarbeiten. Dies sind die Sammelpunkte für die Daten, anhand derer die Antriebe die Motordrehzahl bestimmen: Je höher das Wasser über einen Zielpegel steigt, desto schneller arbeitet die Pumpe; je niedriger das Wasser fällt, desto langsamer wird die Pumpe.

Je mehr das System darüber hinaus programmierbar ist, desto mehr Möglichkeiten gibt es für verschiedene Arten der Effizienz. Mit Hilfe von SPS oder integrierter Proportional-Integral-Derivativ (PID)-Technologie können voreingestellte Werte an den Kalender angepasst werden, so dass saisonale Schwankungen des Wasserstands berücksichtigt werden können. Ergänzend zum Echtzeitbetrieb können Überwachungs- und Datenerfassungssysteme (SCADA) eingesetzt werden, um Informationen über die Entwicklung der Wetterlage zu liefern.

Vorteile von Kreiselpumpen und Drehzahlregelung im Hochwasserschutz

Zentrifugalpumpen werden in Hochwasserschutzsystemen aufgrund ihrer Leistung, Einfachheit und relativ geringen Größe bevorzugt. Dank der Affinitätsgesetze von Kreiselpumpen und Gebläsen lassen sich durch die Reduzierung der Motordrehzahl erhebliche Energieeinsparungen erzielen (eine um 25 % verringerte Motordrehzahl entspricht einem um fast 60 % verringerten Energieverbrauch usw.).

Dies ist wichtig, wenn man die im Allgemeinen hohen Betriebskosten einer Pumpstation bedenkt, von denen einige aus wirtschaftlichen Gründen immer noch Dieselmotoren bevorzugen (obwohl sich solche Systeme mit Wirkungsgraden um die 20-40%-Marke begnügen müssen).

Deshalb werden beim Neubau (oder bei der Umrüstung) von Hochwasserpumpwerken heute in der Regel auch drehzahlvariable elektrische Systeme favorisiert. Neben den herausragenden Vorteilen der Regelbarkeit, Effizienz und Wirtschaftlichkeit sind sie auch vergleichsweise leise - ein wichtiger Gesichtspunkt bei der Konstruktion von Systemen in bevölkerungsreicheren Umgebungen (und daher bevorzugen einige Systeme die Flüssigkeitskühlung gegenüber der Luftkühlung der Motoren und Antriebe).

Die Zukunft erfordert die Verbindung von komplexerer Automatisierung mit immer besser zugänglichen Schnittstellen. Ziel muss es sein, die Systeme immer effizienter zu machen, was im Zusammenhang mit dem Hochwasserschutz bedeutet, dass die Umgebung immer sicherer wird.

Dedizierte Pumpenantriebe sorgen für Wassermanagement

Der Pump Drive F600 von Control Techniques sorgt nicht nur für ein zuverlässiges Wassermanagement, sondern auch für eine möglichst effiziente Energienutzung. Der F600 bietet genau dieselben Funktionen und Möglichkeiten wie die Standardmodelle, wurde aber so aufgerüstet, dass Kunden sowohl Standard- als auch Hoch-IP-Antriebe für dasselbe Projekt verwenden können. Es gibt keine Probleme mehr mit dem Mischen und Anpassen von Anbietern oder Produktmerkmalen, was die Projektqualifizierung vereinfacht.