DE4118532A1 - Wasserwerksteuerungs-anlage - Google Patents

Description

Das Objekt der Erfindung ist eine Wasserwerksteuerungs-Anlage, wo das Wasserwerk aus sich an die Hauptleitung anschließenden Pumpenanlagen und mindestens einem Wasserspeicher besteht, und das Steuerungssystem von jeder Pumpenanlage sich durch Abzweigungen der sich in der Nähe der Pumpenanlage befindlichen Strecke der Hauptleitung anschließt und aus einem Luftkessel, aus einem damit verbundenen Manometer und Fühlern besteht, die den minimal und maximal erlaubten Druck des Manometers anzeigen, wobei die Fühler durch Regulierungseinheiten mit dem Stromversorgungskreis des Pumpenanlagenmotors verbunden sind.

Die Wasserwerksteuerungs-Anlage der Erfindung kann in erster Linie bei Wasserversor­ gungsleitungsnetzen auf dem Lande verwendet werden, die mindestens eine Pumpen­ anlage und einen Wasserspeicher beinhalten.

Zur Steuerung von Wasserleitungsnetzen des beschriebenen Typs sind mehrere Lösungen verbreitet. Von diesen sind die Pumpensteuerungssysteme am einfachsten und am zuver­ sichtlichsten, die auf der örtlichen Druckempfindung beruhen. Bei diesen Systemen erfolgt das Ein- und Ausschalten der Pumpenanlagen auf Grund des Druckwertes in der Hauptleitung mit zweiwertiger Regulierung.

Die Wasserleitungsnetze benehmen sich aber als dynamische Systeme, und im Falle der Ein- oder Ausschaltung irgend eines größeren Verbrauchers bzw. nach dem Abstoppen oder Anstarten von einer oder mehreren Pumpen schwankt der Wert des Druckes im Netz und nimmt seinen stabilen Zustand erst später wieder auf. Diese Druckschwankung beeinflußt die zweiwertigen Steuerungssysteme, die auf Druckempfindung beruhen, negativ. Man kann zwar die Anzahl der überflüssigen Ein- und Ausschaltungen durch die Erweiterung der Druckgrenzen vermindern, doch dies wirkt schädlich auf die Verteilung der Belastung der Pumpenanlagen untereinander und auf die Sicherheit des Systems. Das Erweitern des Steuerungsintervalls ergibt eine Schwankung im Druckwert, die von den Ver­ brauchern als schädlich empfunden wird.

Zur Verminderung der Druckschwankungen wurden die Manometer durch Luftkessel an die Hauptleitung angeschlossen. Die Anwendung der Luftkessel war aus jenem Aspekt nachteilig, daß man zur Erreichung der nötigen Ausgleichwirkung bei Beachtung des Betriebsdruckes von 4-10 Att. einer robusten und aufwendigen Strukturgestaltung mit großem Raumumfang bedurfte, deren Minderungszeit-Standard nicht regulierbar war.

Die andere nachteilige Eigenschaft der bekannten Systeme war, daß die Füllung der Wasserspeicher durch Schwimmventilregulatoren gelöst wurde, wobei die Füllung während der Annäherung zum erwünschten Wasserstand stufenweise ein Ende nahm.

Bei dieser Lösung nahm der Wert des Netzdruckes in der Endphase der Auffüllung nur stufenweise zu, und die Bedingungen zur Ausschaltung der zu dem System gehörenden Pumpenanlagen entstanden nur verspätet. Dies führte in der Hauptleitung zur Herausbildung von schädlichen Druckhöhengipfeln.

Die Aufgabe der Erfindung besteht in dem Zustandebringen einer solchen Wasserwerk­ steuerungs-Anlage, die fähig ist, neben der Erhaltung der Hauptmerkmale der beschriebenen Anlagen die erwähnten nachteiligen Eigenschaften einfach und billig zu beseitigen.

Mit der Erfindung haben wir eine solche Wasserwerksteuerungs-Anlage zustande gebracht, wobei das Wasserwerk aus sich der Hauptleitung anschließenden Pumpenanlagen und mindestens einem Wasserspeicher besteht, und sich das Steuerungssystem einer jeden Pumpenanlage durch Verzweigung der sich in der Nähe der Pumpenanlage befindlichen Strecke der Hauptleitung anschließt und einem Luftkessel, einem damit verbundenen Manometer und einem Fühler besteht, der den minimal und maximal erlaubten Druck des Manometers anzeigt, wo die Fühler durch eine Regulierungs­ einheit mit dem Stromversorgungskreis des Motors der Pumpenanlage verbunden sind. Nach der Erfindung schließt sich die Verzweigung durch eine Membranstruktur zur Druck­ schwankungsminderung dem Luftkessel an, welcher eine durch eine Membrane abgetrennte Einströmungs- und Ausströmungskammer hat. Die Kammern verkehren miteinander durch einen Gang, dessen Durchmesser im Vergleich zu den Einströmungs- und Ausströmungsleitungen klein ist. Die Ausströmungskammer ist mit dem Luftkessel durch den mit einer Membrane abschließbaren ersten Gang und durch den von der Lage der Membrane unabhängigen, ständig geöffneten, zweiten Gang verbunden, dessen Durchmesser kleiner ist, als der des ersten Ganges.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsgestaltung der Erfindung ist zur Regulierung der Dämpfungskonstante ein Nadelventil in den die beiden Kammern verbindenden Gang eingebaut.

Bei einer anderen Ausführungsart der Erfindung befindet sich im Wasserspeicher ein Ventilgehäuse, dessen Seite mit der Hauptleitung in Verkehr steht. Den oberen Deckel des Ventilgehäuses stellt eine Gelenkfallklappe dar, deren unteres Ende im abgekippten Zustand unter der Mündung der Hauptleitung ist, und die Fallklappe ist mit dem im Wasserraum des Wasserspeichers eingesetzten Schwimmer verbunden.

Die Wasserwerksteuerungs-Anlage der Erfindung ermöglicht die Anpassung der Steuerung der einzelnen Pumpenanlagen an die dynamischen Verhältnisse der zu ihnen gehörenden Wasserleitungsstrecke. Dadurch werden die schädlichen Druckschwankungen vermindert und der Druck nimmt zugleich einen genaueren, kontinuierlichen Wert an. Die Auffüllung des Wasserspeichers wird gleichmäßiger und zuversichtlicher erfolgen.

Eine Ausführungsart der Wasserwerksteuerungs-Anlage der Erfindung wird als Beispiel auf Grund der Abbildung ausführlicher beschrieben. Die Abbildung veranschaulicht die zu der Steuerung einer Pumpe gehörenden Einheiten und den Wasserspeicher.

Auf der Abbildung wurde die Strecke der Hauptleitung 6 des Wasserleitungsverteilungs­ netzes dargestellt, die sich dem Wasserspeicher 7 anschließt und die sich durch die Verzweigung 8 an die Verbraucher anschließt. Die Hauptleitung 6 wird von der Pumpenanlage 9 versorgt. Auf der Zeichnung wurde nicht abgebildet, daß sich an die Hauptleitung 6 auch mehrere, voneinander unabhängig gesteuerte Pumpenanlagen anschließen, die sich - abhängig von den örtlichen Gegebenheiten - in kleineren und größeren Entfernungen und in verschiedenen Höhen befinden. Die Steuerung der einzelnen Pumpenanlagen stimmt in Bezug auf ihren Aufbau mit der Steuerung der Pumpenanlage 9 überein.

Das Steuerungssystem erfährt von dem Druck in der Strecke, die sich in der Nähe der Pumpenanlage 9 befindet, durch die Hauptleitung 6 über die Verzweigung 10. Die Verzweigung 10 ist durch den Hahn 11 an die Membranstruktur 1 und an den damit verbundenen Luftkessel 2 angeschlossen. Die Ausgangsseite des Luftkessels 2 ist über das Ventil 12 mit dem Manometer 13 verbunden. Das Manometer enthält die Fühler 14 und 15. Der Fühler 14 schaltet ein, wenn der Druck des Manometers 13 unter den dazu abgestimmten Zeigerstand sinkt. Der Fühler 15 schaltet ein, wenn der Druck den ihm entsprechenden Wert übersteigt. Die Fühler 14 und 15 schließen sich über die auf der Abbildung nur skizzenhaft dargestellten Signalempfänger 16 und 17 der Regulierungseinheit 18 an, deren Ausgang mit dem Stromversorgungskreis des Motors 19 der Pumpenanlage 9 verbunden ist.

Die Regulierung der Pumpenanlage 9 erfolgt folgendermaßen:

Wenn der Druck in der Hauptleitung 6 bei Verzweigung 10 langsam abnimmt, so empfindet das Manometer 13 diese langsame Verminderung durch die Membranstruktur 1 und den Luftkessel 2. Wird der Druck kleiner als der zum Fühler 14 gehörende Druckwert, schaltet die Regulierungseinheit 18 die Pumpe 19 ein, die Pumpenanlage 9 wird in Betrieb gesetzt und infolgedessen erhöht sich der Druck.

Wenn der Verbrauch kleiner ist als die Leistung der Pumpenanlage 9, dann steigt der Druck allmählich an, und diese Zunahme wird vom Manometer 13 verfolgt. Bei Erreichen des maximal erlaubten Druckes steuert der Fühler 15 die Regulierungseinheit 18 so, daß er den Stromkreis der Pumpe 19 unterbricht und Pumpe 19 deshalb stoppt. Die skizzierte Funktion ähnelt der der typischen zweiwertigen Regulatoren.

Wenn sich aber der Druck in der Hauptleitung 6 bei Einschalten der Pumpenanlage 9 oder bei Ein- oder Ausschalten eines jeglichen größeren Verbrauchers plötzlich verändert, stellt sich der stabile Zustand wegen der tranzienten Prozesse des Systems nicht sofort ein. An der Stelle der Verzweigung 10 können solche Druckschwankungen erfolgen, die so den Druckschwellenwert des eingestellten Fühlers 14 wie den des eingestellten Fühlers 15 beinhalten können.

Wäre eine Verzweigung unmittelbar an das Manometer 13 angeschlossen, würde die Pumpe 19 wegen der tranzienten Erscheinungen oft überflüssig ein- bzw. ausschalten. Diese Schaltungen würden aber weitere tranziente Erscheinungen auslösen, und im ungünstigen Falle könnten Resonanzen entstehen, die die Hauptleitung 6 beschädigen könnten. Die überflüssigen Ein- und Ausschaltungen vermindern sowohl unter anderem die Lebensdauer des Systems als auch den Leitungsgrad der Energie.

Die Membranstruktur 1 wird von einer Scheibe gebildet, die von einer rundförmigen Gummimembrane in zwei entgegengesetzte Kammern geteilt wird. Die eine Kammer verkehrt mit der Verzweigung 10, die andere mit dem Luftkessel 2. Die beiden Kammern verkehren miteinander durch einen Gang, dessen Durchmesser im Vergleich zu den Ein- und Ausströmungsleitungen klein ist. Der Verkehrsquerschnitt kann zweckmäßig mit einem Nadelventil reguliert werden. Die Ausströmungsleitung der mit dem Luftkessel 2 verkehrenden Kammer ist durch zwei Gänge mit dem inneren Raum der Kammer verbunden. Der Gang mit dem größeren Durchmesser befindet sich gegenüber der Membrane und er kann von der sich gegen ihn drückenden Membrane gänzlich verschlossen werden.

Wenn bei der Verzweigung 10 eine Druckerhöhung auftritt, so kommt dies nur verspätet zum Luftkessel 2, denn die plötzliche Druckerhöhung drückt die Membrane gegen die Öffnung des mit einem größeren Durchmesser versehenen Ganges der Ausströmungskammer, wodurch die Strömung des Wassers verhindert wird. Das Wasser kann - der Membrane ausweichend - nur durch den Gang mit dem kleineren Durchmesser in den Luftkessel 2 kommen. Deshalb nimmt der Druck der hinteren Kammer nur verspätet den Druck der vorderen Kammer auf. Die Verspätungszeit, d. h. die Dämpfungskonstante des Systems wird gemeinsam von den Raumumfängen, von der Elastizität der Membrane, vom Umleitgang und von den Proportionen der Durchmesser der Ein- und Ausströmungsleitungen und schließlich von der Proportion des Durchmessers der beiden Ausströmungsgänge bestimmt. Eine entscheidende Rolle spielt darüber hinaus die Wasserseite des Luftkessels.

Der Luftkessel 2 ist durch einen Gummisack in zwei Teile ausgebildet und kann funktional auch mit der Membranstruktur 1 zusammengebaut werden. Wegen der Verwendung der Membranstruktur 1 kann der Luftkessel 2 mit bedeutend weniger Wasserraumumfang UN in kleineren Größen verfertigt werden, als die Luftkessel der üblichen Dämpfungssysteme. Der Anwendung des Gummisackes bedarf man wegen der entsprechenden Trennung der in den Raum gelangten Luft vom Wasser.

Wenn wir die Dämpfungskonstante des aus der Membranstruktur 1 und dem Luftkessel 2 ausgebildeten Dämpfungssystems so einstellen, daß sie mit der Vorgangszeit der in der Hauptleitung 6 entstehenden tranzienten Erscheinungen übereinstimmt oder einen größeren Wert hat, dann wirkt die beschriebene zweiwertige Regulierung effektiv, und die tranzienten Erscheinungen können auf die Genauigkeit des Betriebes keine Wirkung ausüben.

Zur Lösung nach der Erfindung gehört noch der Wasserspeicher 7, z. B. die Gestaltung der Flüssigkeitszuführung des Wasserturmes. Die Hauptleitung schließt sich dem Ventilgehäuse 3a an, welches quaderförmig ist. Die Anschlußhöhe fällt in den mittleren Bereich der Seitenfläche des Ventilgehäuses 3a. Den Deckel des Ventilgehäuses stellt eine Fallklappe 3 dar, die gelenkartig nach oben und nach unten bewegt werden kann. Die Fallklappe 3 steht mit dem den Wasserstand des Wasserspeichers 7 anzeigenden Schwimmer mittels einer Kette oder eines Seiles in Verbindung. Beim Steigen des Wasserstandes zur vorgeschriebenen Höhe hebt der Schwimmer 4 die Fallklappe 3 über die Einströmungszone der Hauptleitung 6. In dieser Lage hebt der Druck des einströmenden Wassers die Fallklappe 3 weiter, bis sie an den Deckel des Ventilgehäuses 3a stößt. In dieser Lage schließt die Fallklappe 3 den inneren Raum des Wasserspeichers 7 dicht von der Hauptleitung 6 ab.

An der hinteren Wand des Ventilgehäuses 3a ist ein Armventil 5 angebracht, das die Rolle des Sicherheitsventils spielt. Zur Öffnung des Armventils 5 gehört ein Kreisdruck, der mit Sicherheit größer ist, als der größte Druck des Manometers von jeglicher Pumpenanlage des Netzes.

Die Füllung und Entleerung des Wasserspeichers 7 ist auf Grund des oben Beschriebenen sehr einfach. Solange der Druck des Netzes niedriger ist als der hydrostatische Druck des Wasserspeichers 7, d. h. der Wasserspeicher entsprechend gefüllt ist, befindet sich die Fallklappe 3 in der unteren, auf der Abbildung skizzierten Position, d. h. sie fällt infolge ihres Gewichtes unter den Einströmungsort der Hauptleitung 6. Wenn eine der Pumpenanlagen die Minderung des Druckes empfindet und den Wasserspeicher 7 füllt, dann fängt der Wasserstand zu steigen an, der Schwimmer 4 hebt die Fallklappe 3 über die Einströmungszone, und dann schließt der äußere Wasserdruck das Ventil auf die beschriebene Art und Weise zu. Der weitere Betrieb der Pumpe steigert den Druck im Netz, und das Regulierungssystem der Pumpe schaltet die Pumpe auf Wirkung der Druckerhöhung aus. Die beschriebene Regulierung ist sehr einfach, aber löst zugleich wegen des plötzlichen Abschließens keine schädlichen Schwingungen aus. Das Öffnen des Armventils 5 kann nur in außerordentlichen Fällen erfolgen.

Claims (3)

1. Wasserwerksteuerungs-Anlage, bei der das Wasserwerk aus sich an die Hauptleitung an­ schließenden Pumpenanlagen und mindestens einem Wasserspeicher besteht, und jede Pumpenanlage, ihr Steuerungssystem durch Verzweigung der Strecke der Hauptleitung angeschlossen ist, welche sich in der Nähe der Pumpenanlage befindet, und aus einem Luftkessel, einem damit verbundenen Manometer und aus den minimal und maximal erlaubten Druck des Manometers anzeigenden Fühlern besteht, wobei die Fühler durch eine Regulierungseinheit mit dem Stromversorgungskreis des Motors der Pumpenanlage verbunden sind, mit der Charakteristik, daß sich die Verzweigung (10) durch eine Membranstruktur zur Linderung der Druckschwankung (1) dem Luftkessel (2) anschließt, der eine durch eine Membrane abgetrennte Einströmungs- und Ausströmungskammer hat, und die Kammern verkehren miteinander durch einen Gang, dessen Durchmesser im Vergleich zu den Einströmungs- und Ausströmungsleitungen klein ist, und die Ausströmungskammer ist mit dem Luftkessel (2) durch den mit einer Membrane verschließbaren ersten Gang und den von der Position der Membrane unabhängigen, ständig geöffneten Gang, dessen Durchmesser kleiner ist als der des ersten Gangen, verbunden.

2. Die Ausführungsgestaltung der Wasserwerksteuerungs-Anlage lt. Anspruchspunkt 1 mit der Charakteristik, daß ein Nadelventil in den zwischen den Kammern der Membran­ struktur (1) ausgebildeten Gang eingebaut ist.

3. Die Ausführungsgestaltung der Wasserwerksteuerungs-Anlage lt. Anspruchspunkt 1 oder 2 mit der Charakteristik, daß sich im Wasserspeicher (7) ein Ventilgehäuse (3a) befindet, die Hauptleitung (6) in die Seite des Ventilgehäuses (3a) mündet, den Deckel des Ventilgehäuses (3a) stellt eine Gelenkfallklappe (3) dar, deren unteres Ende in abgeklappter Position unter der Mündung der Hauptleitung (6) ist, und die Fallklappe (3) mit dem im Wasserraum des Wasserspeichers (7) eingesetzten Schwimmer (4) verbunden.