Erfolgreicher Kampf gegen die Verzopfung
Dieser Fachbeitrag wurde in der DWA Fachzeitschrift „Korrespondenz Abwasser, Abfall“ in der Ausgabe 05/2022 veröffentlicht
Entwicklung, Bau und erste Betriebserfahrungen eines optimierten Laufrades für Schmutzwasserpumpen
Zusammenfassung
Ein zunehmender Anteil an Hygiene- und Feuchttüchern und ein geringer Wasseranteil sorgen für eine deutliche Veränderung der Abwasserzusammensetzung, die zu massiven Verzopfungen in den Pumpen führen. In der Folge sind die finanziellen Aufwendungen für Reinigung, Wartung und Reparatur für die Abwasserbetriebe in den vergangenen Jahren enorm gestiegen. Um dieses Problem nachhaltig zu lösen, führte das Institut für Energie- und Umweltverfahrenstechnik an der Universität Duisburg-Essen im Auftrag der Pleiger Maschinenbau GmbH & Co. KG (Witten) eine strömungsmechanische Untersuchung zum Verzopfungsverhalten von Einkanalradpumpen durch. Aus dieser Forschungsarbeit ist eine optimierte Laufradgeometrie für Abwasserpumpen entwickelt worden. Sie sorgt für eine deutliche Verbesserung der Strömung hinsichtlich der Verzopfungsanfälligkeit im Eintrittsbereich des Laufrades und somit für eine deutlich erhöhte Betriebssicherheit bei deutlich geringeren Wartungskosten. Der Beitrag stellt die umfangreichen Entwicklungsarbeiten des Laufrades über den Einbau eines Prototypen durch den Abwasserentsorger und Kläranlagenbetreiber Emschergenossenschaft/Lippeverband im Pumpwerk Dortmund-Deusen bis hin zu ersten Betriebserfahrungen vor.
Schlagwörter: Verzopfung, Abwasserentsorgung, Einkanalradpumpe, Laufrad, Laufradgeometrie, Schaufelkanal, Saugmund, Strömungsrechnung, Druckverteilung, Pumpwerk, Schmutzwasserpumpe
Das Pumpwerk Dortmund-Deusen
Das Pumpwerk Dortmund-Deusen, mit insgesamt acht installierten Pumpen verschiedener Nennweiten, arbeitet personell unbesetzt und vollautomatisch. Die Pumpen werden abhängig vom Wasserstand im Saugraum ein- und ausgeschaltet. Aufgrund der schwankenden Wasserstände sowie des unregelmäßigen Zuflusses zum Pumpwerk ergeben sich intermittierende Betriebsweisen der Pumpen.
Bei Trockenwetter förderte jeweils nur eine von zwei Schmutzwasserpumpen 90 Liter/Sekunde klärpflichtiges Abwasser zur Kläranlage Dortmund-Deusen. Bei dem Wasser handelt es sich um städtisches Abwasser aus einem geschlossenen Kanalsystem, das zuerst dem Pumpwerk zugeführt wird. Ein Rechen ist den Pumpen nicht vorgeschaltet.
Dem Pumpwerk ist im Nebenschluss ein Regenüberlaufbecken (RÜB) angeordnet (Abbildung 2). Übersteigt der Mischwasserzufluss am Pumpwerk beispielsweise aufgrund von Regenereignissen die genehmigte Fördermenge von 90 Litern/Sekunde, fördert eine separate Pumpe in das RÜB. Nach dem Regenereignis, bei sinkendem Zufluss, wird das RÜB automatisch in Richtung Pumpwerk entleert. Verbleibende Ablagerungen im RÜB werden mit Hilfe von Spülkippen gelöst und dem Pumpwerk zugeführt.
Hintergrund und Ausgangssituation
Allein im Referenzjahr 2017 wurden im Pumpwerk Dortmund-Deusen aufgrund von Verschmutzung, Verschlammung, Faser- und Sperrstoffen 65 Störmeldungen vom Prozessleitsystem erfasst. Ausgelöst wurden sie von den ausgefallenen Pumpen. Für den Betreiber, den Abwasserentsorger und Kläranlagenbetreiber Emschergenossenschaft/Lippeverband, entstanden dadurch erhebliche Kosten. Die aufgetretenen Probleme führten neben den Materialschäden zu 33 außerplanmäßigen Rufbereitschaftseinsätzen.
Spezifische Problematiken
Die hier installierten Schmutzwasserpumpen müssen in der Lage sein, das kommunale Abwasser rechenfrei zu fördern. Das Abwasser ist in seiner heutigen Zusammensetzung allerdings eine potenzielle Herausforderung für jede Pumpe: Faserstoffe, in Form von Hygiene- und Küchentüchern, verzopfen und führen zu Verstopfungen in der Pumpe (Abbildung 1). Es droht der „Feuchttücher-Infarkt“.
Die beiden Pumpen sind bereits redundant aufgestellt, sodass immer eine Pumpe die Schmutzwassergrundlast pumpt. Das Kanalnetz darf nicht unnötig eingestaut werden, um die Reserven für ein mögliches Regenereignis im Mischwasserkanal möglichst groß zu halten. Daher musste seitens der Rufbereitschaft bei der genannten Abwasserbeschaffenheit schon beim Ausfall einer Trockenwettermaschine gehandelt werden. Steigt der Zufluss zum Pumpwerk über die Menge des zweifachen Trockenwetterzufluss (2Qt), wird in einem Regenüberlaufbecken (RÜB) zwischengelagert. Dies wird durch eine größere Pumpe realisiert. Für den Havariefall, dass beide Grundlastpumpen ausfallen, wird das genannte RÜB sofort mit dem anspruchsvollen Abwasser beschickt. Im RÜB sammelt sich das Wasser, die Feststoffe lagern sich hier mehr oder weniger ab. Nach Abschluss des Regenereignisses wird mittels Spülkippen das RÜB gereinigt und entleert. Über die Spülschwellen gelangen dann die Ablagerungen wieder in den Pumpensaugraum und werden den Pumpen schwallartig und massiv zugeführt, was zu erneuten Verstopfungen der Schmutzwasserpumpen führen kann.
Damit der Kläranlage die vorgegebene genehmigte Menge zugeführt werden kann und das RÜB seltener beaufschlagt wird und zeitnah geleert werden kann, ist ein kontinuierlicher störungsfreier Pumpenbetrieb unabdingbar
In der Simulation wurde die Verteilung des statischen Druckes in einem Achsnormalschnitt am Saugmund der Pumpe und in der Nähe der Deckscheibe der Pumpe dargestellt (Abbildung 3). Das dabei entstandene Druckfeld führte zu der Vermutung, dass der deckscheibenseitige Radseitenraum aufgrund der an der Außenseite der Deckscheibe angebrachten Bauchschaufeln zumindest in Bereichen über dem Umfang zentrifugal statt wie normal zentripetal durchströmt wird (Abbildung 4). Durch dieses Verhalten könnte das Verzopfungsszenario ausgelöst werden.
Daher beschlossen Pleiger Maschinenbau und das Institut, zunächst keine Variation der Geometrie durchzuführen, sondern das bestehende Rechenmodell um den Radseitenraum zwischen Deckscheibe und Gehäuse zu erweitern und mit diesem angepassten Modell eine erweiterte Simulation für diesen Betriebspunkt durchzuführen.
In den anschließenden Simulationen zeigte sich, dass der Spalt zwischen Laufrad und Verschleißring am Saugmund teilweise zentrifugal und teilweise zentripetal durchströmt wird (Abbildung 5). Diese Durchströmungsbereiche laufen mit dem Laufrad um und sind ortsfest im Relativsystem. Die dafür verantwortlichen Druckfelder laufen ebenfalls mit dem Laufrad um. Die zentrifugale Einströmung in den Spalt liegt örtlich in dem Bereich des Laufrades, an dem eine Kante aufgrund der starken Krümmung des Laufradkanals vorhanden ist.
Mit dieser Konstellation konnte mit hoher Wahrscheinlichkeit die Ursache für die sich anbahnende Verzopfung und der folgenden Verstopfung gefunden werden: Langfaserige Bestandteile des Abwassers werden dabei sowohl in den Spalt als auch in den Hauptströmungskanal des Laufrades gezogen und legen sich somit um die beschriebene Kante. Damit baut sich nach und nach die Verstopfung des Laufrades auf.
Als erstes Ergebnis der strömungsmechanischen Untersuchung konnte somit ermittelt werden, dass das unsymmetrische Druckfeld im Saugmund des Laufrades als Ursache der Verstopfung beeinflusst werden muss. Eine Verstopfung lässt sich daher nur durch eine Geometrieveränderung des Laufrades – und möglicherweise des Pumpengehäuses – erreichen.
Parametrische CAD-Volumenmodelle
Für den folgenden Schritt beschlossen Pleiger Maschinenbau und das Institut, aus den vorliegenden Daten des Laufrades ein parametrisches CAD-Volumenmodell zu erstellen. Dieses sollte anschließend so verändert werden, dass das Druckfeld beeinflusst werden kann. Als Ziel wurde ein Laufrad definiert, dessen Schaufelkanal so geformt ist, dass die für die Verzopfung kritische Kante im Laufradeintritt möglichst vermieden wird. Um bestehende Einkanalradpumpen später möglichst ohne großen Aufwand – also ohne Eingriff in die Gehäusekonstruktion – umrüsten zu können, sollten die Außenabmessungen des Laufrades möglichst nicht verändert werden. Das entsprechende CAD-Modell wurde am Lehrstuhl für Strömungsmaschinen der Universität Duisburg-Essen erstellt.
In der Folge wurden im Institut mehrere Geometrievarianten des Laufrades simuliert, strömungsmechanisch beurteilt und mit Pleiger Maschinenbau diskutiert. Zwei besonders bemerkenswerte Geometrien sollen an dieser Stelle näher vorgestellt werden.
Die Abbildung 6 zeigt auch hier wieder die Druckverteilung im Achsnormalschnitt der Pumpe, die Stromlinien im Radseitenraum sowie die Geschwindigkeitsvektoren am Eintritt zum Dichtspalt im Einlauf-Radseitenraum für die neu entwickelte Geometrie analog zur Abbildung 1 der vorhandenen Ausgangsgeometrie.
Es lässt sich gut erkennen, dass die Druckverteilung auf dem Umfang wesentlich gleichförmiger verläuft. Die Vektoren zeigen kein lokal starkes Einströmen in den Spalt mehr und eine Analyse des Strömungsfeldes für verschiedene Laufradstellungen relativ zum Gehäuse zeigt, dass die noch vorhandenen Ein- und Ausströmgebiete in den Radseitenraum weder stationär zum Laufrad noch zum Gehäuse sind und somit der Eintritt zum Radseitenraum nicht mehr die Ursache für Verstopfungen bilden sollte.
