DE4118532C2 - Wasserwerkssteuerungsanlage - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Wasserwerkssteuerungsanlage nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Wasserleitungsnetze benehmen sich wie dynamische Systeme und im Falle der Ein- oder Ausschaltung irgend eines größeren Verbrau­ chers bzw. nach dem Abstoppen oder Starten von einer oder meh­ reren Pumpen schwankt der Wert des Druckes im Netz und nimmt seinen stabilen Zustand erst später wieder auf. Diese Druck­ schwankung 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 sich schädlich auf die Verteilung der Belastung der Pumpenanlagen untereinander und auf die Sicherheit des Systems aus. Das Erweitern des Steuerungsintervalls ergibt eine Schwankung im Druckwert, die von den Verbrauchern als schädlich empfunden wird.

Zur Verminderung der Druckschwankungen wurden die Manometer durch Luftkessel an die Hauptleitung angeschlossen (DD 57 576). Die Anwendung der Luftkessel war aus jenem Aspekt nachteilig, daß man zur Erreichung der nötigen Ausgleichwirkung bei Beach­ tung des Betriebsdruckes von 4-10 bar 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 Aus­ schaltung der zu dem System gehörenden Pumpenanlagen entstanden nur verspätet. Dies führte in der Hauptleitung zur Herausbil­ dung von schädlichen Druckhöhengipfeln.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Wasserwerksteuer­ ungsanlage zu schaffen, die besser die schädlichen Druck­ schwankungen vermindert.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmale gelöst.

Die erfindungsgemäße Wasserwerksteuerungsanlage steuert ein Wasserwerk, das aus sich an die Hauptleitung anschließenden Pumpenanlagen und mindestens einem Wasserspeicher besteht. Das Steuerungssystem einer jeden Pumpenanlage ist durch Verzweigung in der Nähe der Pumpenanlage an der Hauptleitung angeschlossen und hat einen Luftkessel, ein damit verbundenes Manometer und einen Fühler, die den minimal und maximal erlaubten Druck des Manometers anzeigen. Die Fühler sind durch eine Regulierungs­ einheit mit dem Stromversorgungskreis des Motors der Pumpenan­ lage verbunden. Nach der Erfindung ist zwischen der Verzweigung und dem Luftkessel eine Membranstruktur zur Druckschwankungs­ minderung angeordnet, welche eine durch eine Membrane abge­ trennte 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 Ausgang und durch den von der Lage der Membrane unabhängigen ständig geöffneten, zweiten Ausgang verbunden, dessen Durchmesser kleiner ist, als der des ersten Ganges.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist zur Re­ gulierung der Dämpfungskonstante ein Nadelventil in den die beiden Kammern verbindenden Gang eingebaut.

Bei einer anderen weiteren Ausgestaltung der Erfindung befindet, sich im Wasserspeicher ein Ventilgehäuse, dessen Seite mit der Hauptleitung in Verbindung steht. Den oberen Deckel des Ventil­ gehäuses stellt eine Gelenkfallklappe dar, deren unteres Ende im abgekippten Zustand unter der Mündung der Hauptleitung ist. Die Fallklappe ist mit dem im Wasserraum des Wasserspeichers eingesetzten Schwimmer verbunden.

Diese Wasserwerksteuerungsanlage ermöglicht die Anpassung der Steuerung der einzelnen Pumpenanlagen an die dynamischen Ver­ hältnisse der zu ihnen gehörenden Wasserleitungsstrecke. Da­ durch werden die schädlichen Druckschwankungen vermindert und der Druck nimmt zugleich einen genaueren, kontinuierlichen Wert an. Die Auffüllung des Wasserspeichers wird gleichmäßiger und zuversichtlicher erfolgen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dar­ gestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 die Wasserwerksteuerungs-Anlage und

Fig. 2 die Membranstruktur.

In Fig. 1 ist die Strecke der Hauptleitung 6 des Wasserlei­ tungsverteilungsnetzes 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. In Fig. 1 ist nicht abge­ bildet, daß sich an die Hauptleitung 6 auch mehreren, voneinan­ der 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 erfaßt den Druck in der Leitung, die sich in der Nähe der Pumpenanlage 9 befindet, durch die Hauptleitung 6 über eine Verzweigung 10. Die Verzweigung 10 ist durch den Hahn 11 an der Membranstruktur 1 und an dem damit verbundenen Luftkessel 2 angeschlossen. Die Ausgangsseite des Luftkessels 2 ist über das Ventil 12 mit dem Manometer 13 ver­ bunden. Das Manometer enthält die Fühler 14 und 15. Der Fühler 14 schaltet ein, wenn der Druck des Manometers 13 unter den da­ zu abgestimmten Zeigerstand sinkt. Der Fühler 15 schaltet ein, wenn der Druck den ihm entsprechenden Wert übersteigt. Die Füh­ ler 14 und 15 sind über die in Fig. 1 nur skizzenhaft darge­ stellten Signalempfänger 16 und 17 der Regulierungseinheit 18 angeschlossen, 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 Verminde­ rung durch die Membranstruktur 1 und den Luftkessel 2. Wird der Druck kleiner als der zum Fühler 14 gehörende Druckwert, schal­ tet die Regulierungseinheit 18 die Pumpe 19 ein, die Pumpenan­ lage 9 wird in Betrieb gesetzt und infolgedessen erhöht sich der Druck.

Wenn der Verbrauch kleiner ist als die Leistung der Pumpenanla­ ge 9, dann steigt der Druck allmählich an, und diese Zunahme wird von Manometer 13 verfolgt. Bei Erreichen des maximal er­ laubten 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- und Ausschalten eines jegli­ chen 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 sol­ che Druckschwankungen erfolgen, die so den Druckschwellenwert des eingestellten Fühlers 14 wie den des eingestellten Fühlers 15 beinhalten können.

Wäre eine Verzweigung unmittelbar an dem Manometer 13 ange­ schlossen, würde die Pumpe 19 wegen der tranzienten Erscheinun­ gen oft überflüssig ein- bzw. ausschalten. Diese Schaltungen würden aber weitere tranziente Erscheinungen auslösen, und im ungünstigen Falle könnten Resonanzen entstehen, die die Haupt­ leitung 6 beschädigen könnten. Die überflüssigen Ein- und Aus­ schaltungen vermindern sowohl unter anderem die Lebensdauer des Systems als auch den Leistungsgrad der Energie.

Die Membranstruktur 1 gemäß Fig. 2 wird von einer Scheibe ge­ bildet, die von einer rundförmigen Gummimembran 20 in zwei ent­ gegengesetzte Kammern 21, 22 geteilt wird. Die eine Kammer ver­ kehrt mit der Verzweigung 10, die andere mit dem Luftkessel 2. Die beiden Kammern verkehren miteinander durch einen Gang 27 dessen Durchmesser im Vergleich zu den Ein- und Ausströmungsleitungen klein ist. Der Verkehrsquerschnitt kann zweckmäßig mit einem Nadelventil 30 reguliert werden. Die Aus­ strömungsleitung 26 der mit dem Luftkessel 2 verkehrenden Kam­ mer 22 ist durch zwei Ausgänge 28, 29 mit dem inneren Raum der Kammer verbunden. Der Ausgang 28 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 ei­ nem größeren Durchmesser versehenen Ausganges 28 der Ausströ­ mungskammer 22, wodurch die Strömung des Wassers verhindert wird. Das Wasser kann - der Membran 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 Raumum­ fängen, von der Elastizität der Membrane, vom Umleitgang und von den Proportionen der Durchmesser der Ein- und Ausströmungs­ leitungen 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 ge­ teilt ausgebildet und kann funktional auch mit der Membran­ struktur 1 zusammengebaut werden. Wegen der Verwendung der Mem­ branstruktur 1 kann der Luftkessel 2 mit bedeutend weniger Was­ serrauminhalt in kleineren Größen gefertigt werden, als Luft­ kessel der üblichen Dämpfungssysteme.

Wenn man die Dämpfungskonstante des aus der Membranstruktur 1 und dem Luftkessel 2 ausgebildeten Dämpfungssystems so ein­ stellt, daß sie mit der Vorgangszeit der in der Hauptleitung 6 entstehenden tranzienten Erscheinungen überein­ stimmt oder einen größeren Wert hat, dann wirkt die beschriebe­ ne zweiwertige Regulierung effektiv, und die tranzienten Er­ scheinungen können auf die Genauigkeit des Betriebes keine Wir­ kung ausüben.

Die Hauptleitung 6 ist am Ventilgehäuse 3a angeschlossen, wel­ ches quaderförmig ist. Die Anschlußhöhe fällt in den mittleren Bereich der Seitenfläche des Ventilgehäuses 3a. Der Deckel des Ventilgehäuses ist als Fallklappe 3 ausgebildet, die gelenkar­ tig nach oben und nach unten bewegt werden kann. Die Fallklappe 3 steht mit dem 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 Ven­ tilgehäuses 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 als Sicherheitsventils ausgebildet ist.

Die Füllung und Entleerung des Wasserspeichers 7 ist auf Grund des oben Beschriebenen sehr einfach. Solange der Druck des Net­ zes niedriger ist als der hydrostatische Druck des Wasserspei­ chers 7, d. h. der Wasserspeicher entsprechend gefüllt ist, be­ findet sich die Fallklappe 3 in der unteren, in Fig. 1 skiz­ zierten Position, d. h. sie fällt infolge ihres Gewichts unter den Einströmungsort der Hauptleitung 6. Wenn eine der Pumpenan­ lagen die Minderung des Druckes empfindet und den Wasserspei­ cher 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 be­ schriebene Art und Weise zu. Der weitere Betrieb der Pumpe steigert den Druck im Netz, und das Regulierungssystem der Pum­ pe schaltet die Pumpe auf Wirkung der Druckerhöhung aus. Die beschriebene Regulierung ist sehr einfach, aber löst zugleich wegen des plötzlichen Abschließens keine schädlichen Schwingun­ gen aus. Das Öffnen des Armventils 5 kann nur in außerordentli­ chen Fällen erfolgen.

Claims (3)

1. Wasserwerkssteuerungsanlage, bei der das Wasserwerk aus sich an die Hauptleitung anschließenden Pumpenanlagen und mindestens einem Wasserspeicher besteht, wobei für jede Pumpenanlage durch Verzweigung an der Hauptleitung ein Steuerungssystem angeschlossen ist, das 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, die durch eine Regulierungseinheit, mit dem Stromversorgungskreis des Motors der Pumpenanlage verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verminderung von Druckschwankungen zwischen der Verzweigung (10) und dem Luftkessel (2) eine Membranstruktur (1) angeordnet ist, die durch eine Membrane (20) in eine Einströmungskammer (21) und eine Ausströmungskammer (22) unterteilt ist, wobei die Kammern (21, 22) durch einen Gang (27), dessen Durchmesser im Vergleich zu den Einströmungs- und Ausströmungsleitungen (25, 26) klein ist, miteinander verbunden sind und wobei die Ausströmungskammer (22) in Richtung des Luftkessels (2) einen mit der Membrane (20) verschließbaren ersten Ausgang (28) und einen von der Position der Membrane (20) unabhängigen, ständig geöffneten Ausgang (29) hat, dessen Durchmesser kleiner als der des ersten Ausgangs (28) ist.

2. Wasserwerksteuerungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Nadelventil (30) in dem zwischen den Kammern (21, 22) der Membranstruktur (1) ausgebildeten Gang (27) angeordnet ist.

3. Wasserwerkssteuerungsanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich im Wasserspeicher (7) ein Ventilgehäuse (3a) befindet, in das die Hauptleitung (6) mündet, wobei der Deckel des Ventilgehäuses (3a) als Gelenkfallklappe (3) ausgebildet ist, deren unteres Ende sich in abgeklappter Position unter der Mündung der Hauptleitung (6) befindet, und wobei die Fallklappe (3) mit dem im Wasserraum des Wasserspeichers (7) eingesetzten Schwimmer (4) verbunden ist.