Abwasserpumpwerk : Frequenzumrichter von Danfoss regeln Pumpen für optimale Leistung

Die Abwasserbeseitigung gehört zu den weniger angenehmen Aufgaben innerhalb der Städte und Gemeinden. So müssen diese das Wasser, dass sich aus den Abwässern der Industrie- und Gewerbebetriebe sowie der privaten Haushalten auf der einen und dem Regenwasser auf der anderen Seite zusammensetzt, vor der Einleitung in Gewässer klären und entsprechend behandeln. In Verden an der Aller übernimmt dies die zentrale Kläranlage. Sie klärt aber nicht nur die Abwässer der Stadt, sondern auch der umliegenden Gemeinden Hönisch, Hutbergen, Döhlbergen und Rieda. Pumpwerke und Druckleitungen fördern die Abwässer zur Kläranlage.

Bereits 1894 begann die Stadt Verden – auf Anordnung der damals preußischen Regierung – mit dem Bau von Abwasserleitungen. Heute sorgt eine große Kläranlage mit einer Kapazität von 120.000 EW (davon 50.000 für private haushalte und 70.000 für gewerbliche Abwässer) für die Reinigung der anfallenden Abwässer. Pumpwerke und Druckleitungen fördern sie zur Kläranlage, wo sie gereinigt werden, und dann die neusten Grenzwerte für die Einleitung in Gewässer erfüllen.

Damit die Abwässer nicht auf einem zu tiefen Höhenniveau bei der Kläranlage ankommen, heben sie große Pumpen in insgesamt 44 über die gesamte Stadt und die Nachbargemeinden verteilte Pumpwerke auf einen höheren Level. Sechs Druckleitungen übernehmen dann den Transport desAbwassers zum Sammelpunkt in der Kläranlage. Für eine gewisse Regulierung bei Regenfällen und zur kontinuierlichen Versorgung der Kläranlage mit zu reinigenden Abwässern stehen im Gesamten Kanalnetz an den Pumpstationen Vorschächte, sowie Sammelbecken auf der Kläranlage bereit, um das Abwasser zwischenzuspeichern.

Im Hauptpumpwerk, das an der Aller gelegen ist und insgesamt jährlich im Durchschnitt 1.200.000 Kubikmeter Abwasser pumpt, verrichten insgesamt vier Pumpen ihren Dienst – und das seit ihrem Einbau 1993. Dies dient der optimalen Anpassung der Pumpleistung an die Menge des augenblicklich anfallenden Abwassers und der zuverlässigen Versorgung der Kläranlage. Ursprünglich pumpte das Werk „Am Allerufer“ rund 80 Prozent des Abwassers zur Kläranlage. Nach 15 Jahren war eine Modernisierung der Technik notwendig geworden, was 2008 zum Umstieg auf eine Drehzahlregelung führte.

Die vier Pumpen, jeweils zwei mit 50 kW sowie zwei weitere mit 250 kW, erhalten ihre Spannungsversorgung von je einem VLT Aqua Drive FC 200 Frequenzumrichter aus dem Hause Danfoss, die die Betreiber im Rahmen der Modernisierung im November 2008 nachgerüstet haben. Diese Frequenzumrichter sind speziell auf die Ansteuerung von Pumpen ausgelegt und stellen eine Vielzahl von Funktionen zur Steuerung und zum Schutz der angeschlossenen Pumpen bereit.

Die Pumpen fördern maximal 1200 m³ pro Stunde (250 kW-Pumpen) beziehungsweise 800 m³ pro Stunde bei den Pumpen der kleineren Leistungsstufe. Insgesamt stehen im Pumpwerk zwei Druckleitungen zur Verfügung, die redundant das Wasser zur Kläranlage fließen lassen. Ein Pumpensumpf steht als Auffangbehälter für die einströmenden Abwässer bereit, was vor allem bei Regen für eine gewisse Abpufferung sorgt.

Eine übergeordnete Steuerung übernimmt es, den VLT Aqua Drive die entsprechenden Signale zu geben. Dazu verfügen die Danfoss Frequenzumrichter über Profibusschnittstellen, die mittels plug-and-play-fähiger Module integriert sind. Alternativ stehen auch Feldbusoptionen für Devicenet, Ethernet/IP oder Modbus/TCP zur Verfügung.

Jeweils zwei Frequenzumrichter hängen an einem Strang, die dann eine 250 kW- sowie eine 50 kW-Pumpe ansteuern. Im Normalbetrieb fördert nur eine der kleineren Pumpen das Abwasser zur Kläranlage. Über eine Füllstandsüberwachung des lokalen Sammelbeckens stellt die Steuerung fest, ob genug Wasser für einen sicheren Betrieb im Becken ist beziehungsweise ob mehr Wasser zuläuft, als die Pumpe im Augenblick fördert. Ist dies der Fall, erhöht die Steuerung die Sollwertvorgabe und so die resultierende Fördermenge.

Reicht auch die maximale Drehzahl der Pumpe nicht aus, um den Füllstand auf dem gewünschten Wert zu halten, schaltet die Steuerung die zweite der kleineren Pumpen zu. Auch jetzt regeln die Frequenzumrichter die Drehzahl nach, bis sich wieder der gewünschte Füllstand einstellt. Können beide kleinen Pumpen dies nicht mehr durch ihre maximale Gesamtfördermenge von 1600 m³ schaffen, so übernimmt eine der leistungsfähigeren Pumpen die Förderung. Gleichzeitig schaltet aber die kleine Pumpe, die zusammen mit der jetzt fördernden 250 kW-Pumpe an einem Strang arbeitet, ab. Diese Pumpen sind elektronisch gegeneinander verriegelt. Die zweite der größeren Pumpen dient nur als Reserve, um das System jederzeit verfügbar zu halten und eine maximale Sicherheit der Anlage zu gewährleisten. Aus dem gleichen Grund erfolgt auch bei jedem Ausschalten ein Pumpenwechsel, so dass die Pumpen der jeweiligen Leistungsstufe möglichst ausgeglichene Betriebsstunden aufweisen und sich nicht eine der Pumpen aufgrund zu langen Stillstands festsetzt.

Die Drehzahlregelung der kleineren Pumpen reduziert das häufige Ein-und Ausschalten und vermeidet die damit verbundenen Förderstöße. Bei Regenfällen verhindert das frühzeitige Erhöhen der Drehzahl und damit der Fördermenge, dass die 250 kW Pumpe zum Einsatz kommen muss.

Die Frequenzumrichter der VLT Aqua Drive Serie basieren auf der modularen Systemplattform von Danfoss. Darüber hinaus ist er für den Betrieb von Pumpen speziell angepasst und senkt so die Lebenszykluskosten in der Anwendung. Er spart externe Komponenten ein und lässt sich durch die modulare Bauweise mit den vielen, individuell kombinierbaren Erweiterungsmodule optimal an die jeweilige Anwendung anpassen. Der wartungsfreie Antrieb verfügt typischerweise über einen Wirkungsgrad von 98 Prozent und mehr, was die Energieeffizienz der Gesamtanlage verbessert.

Für den Einsatz innerhalb von Wohngebieten, wie es auch bei Pumpwerken vorkommen kann, hat er integrierte EMV-Filter und Netzdrosseln. Sie helfen dem Betreiber dabei, die Oberwellenbelastung des Versorgungsnetzes gering zu halten und die Grenzwerte A1/B1 gemäß der EMV-Norm EN 55011, die in Wohngebieten zum Tragen kommt, nicht zu überschreiten.

Für eine einfache Parametrierung bei Inbetriebnahme, Wartung und Service hat der VLT Aqua Drive ein grafisches Display, das sich intuitiv bedienen lässt. Mit Hilfe der Bedieneinheit lassen sich auch die Parametereinstellungen sichern und gegebenenfalls auf weitere Geräte übertragen. Daneben steht aber auch die PC-basierte Programmierungssoftware MCT 10 bereit, mit deren Hilfe die Betreiber die Einstellungen sichern und das gesamte Projekt leicht und übersichtlich sichern können.

Eine Vielzahl von speziell an den Pumpenbetrieb angepasste Funktionen verkürzen die Inbetriebnahmezeiten weiter und sorgen für höchste Sicherheit im laufenden Betrieb. Zu diesen Funktionen gehören die selbstadaptierenden Regler, ein Rohrfüllmodus, der Wasserschläge oder berstende Wasserrohre verhindert, sowie eine Förderüberwachung, die eine sichere Erkennung von Rohrbrüchen und Leckagen garantiert. Auf der anderen Seite sorgt der Trockenlaufschutz für einen erweiterten Pumpenschutz.

Automatische Motoranpassung, die automatische Energieoptimierung sowie ein Energiesparmodus reduzieren den Energiekonsum des Antriebs und sparen so bares Geld.

Im Hauptpumpwerk in Verden setzen die Betreiber Sinusfilter ein. Sie sind schaltungstechnisch zwischen Ausgang des Frequenzumrichters und dem Motor eingebunden und dienen dem Schutz des Motors.

Frequenzumrichter arbeiten für die Erzeugung der Ausgangsspannung der entsprechenden Frequenz mit einer hohen Taktfrequenz. Dies hat zur Folge, dass die Ausgangsspannung erst einmal nicht mehr sinusförmig ist, sondern mit Störungen verzerrt ist. Bei älteren oder nicht für den Betrieb am Frequenzumrichter ausgelegten Motoren, kann dies zu einem höheren Verschleiß führen. Dieser rührt von höheren Motortemperaturen aufgrund von Oberschwingungen und Spannungsspitzen her, die im schlimmsten Fall die Isolierung schädigen und letztlich zu Durchschlägen in den Motorwicklungen und damit zu einer Zerstörung des Motors führen können. Die Danfoss Sinusfilter sind speziell an die Danfoss VLT Frequenzumrichter angepasst und lassen sich sowohl im VVC+ Regelverfahren wie auch dem besonders drehmomentstarken Fluxvektor Modus betreiben. Hierbei begrenzen sie die Spannungsanstiegsgeschwindigkeit an der Motorisolation und die Amplitude der Spannungsspitzen, was die Wicklungen vor Überschlägen schützt, die vor allem bei älteren Motoren mit einer schwächeren Isolierung auftreten können. Durch die von den Filtern erzeugte sinusförmige Motorspannung besteht die Möglichkeit, kostengünstige, ungeschirmte Motorleitungen einzusetzen, was nicht zuletzt bei Um- oder Nachrüstung bestehender Anlagen zu einer Kostenersparnis führt. Zu den bereits genannten Vorteilen reduzieren Sinusfilter auch die Geräuschbelastung im Motor und wirken sich positiv auf die Drehmomentwelligkeit und Lagerströme aus.

Die VLT Aqua Drive sorgen im Hauptpumpwerk in Verden für einen sicheren und reibungslosen Betrieb der vier Pumpen. Mit der Anpassung der Drehzahl an die jeweilige Fördermenge sorgen sie für die energieeffiziente Regelung der Pumpen und aufgrund der sanften Drehzahlanpassung für weniger Verschleiß. Die Sinusfilter an ihren Ausgängen reduzieren die Geräusche im Motor und schützen die Isolation der Motoren. So konnten die Verantwortlichen bei der Stadt die Kosten für den Betrieb senken.