Durchflussmesseinrichtungen und Drosselorgane von Abwasseranlagen

1. Durchflussmesseinrichtungen und Drosselorgane von Abwasseranlagen Dr.-Ing. R. Hassinger Versuchsanstalt und Prüfstelle für Umwelttechnik und Wasserbau Universität Kassel – Fachbereich Bauingenieurwesen Staatl. Prüfstelle für hydraulische Prüfungen nach EKVO Hessen • Inhalt: • Einführung und Grundlagen • Abflussbegrenzung und Abflussdrosselung an Regenüberlaufbecken • Durchflussmessung

2. Einführung Die Abflussbegrenzung (Drosselung) ist der wesentliche hydraulische Eingriff an Regenentlastungsanlagen, der die Abläufe, die Funktion und damit die Vorfluterbelastung maßgeblich bestimmt. Die Drosselung löst eine Reihe weiterer hydraulischer Vorgänge aus, deren Ausprägung durch die Gestaltung der Anlage bestimmt wird: • Aufstau und Rückhaltung von Wasser • Abfluss über Klärüberläufe (bei Durchlaufbecken) • Entlastung über Beckenüberläufe • Sedimentation (gewollt oder ungewollt) • Verzögerte Abgabe zur Kläranlage • Reinigungswirkung für die Beckensohle

3. Grundriss eines Durchlaufbeckens (schematisch)

4. Längsschnitt eines Durchlaufbeckens (schemat.) • Drosselanlagen: • Im Ablauf • Im Klärüberlauf

5. Anforderungen an Drosselanlagen (1) • Hydraulik und Mechanik • Hohe Genauigkeit und Trennschärfe (jedoch +-5% nach ATV-AB 111 sind illusorisch, da nicht genau überprüfbar!) • In der Abflusskurve variabel • Spülspitze einstellbar • Leichte nachträgliche Verstellbarkeit • Kein Einfluss der Reibung auf Funktion und Genauigkeit • Betrieb • Minimale Verstopfungsanfälligkeit • Gute Zugänglichkeit des Drosselein- und Auslaufs und des Drosselschachts • Einfache Wartung • Manuelle Bedienbarkeit incl. Absperrbarkeit von über Tage

6. Anforderungen an Drosselanlagen (2) • Messtechnik und Überwachung: • Anzeige der Drosselstellung über Tage • Anzeige von Störungen über Tage • Erweiterbarkeit des Systems für die Füllstands- und Entlastungsmessung • Anschluss an Fernwirksysteme soll möglich sein. • Eigenkontrolle • Drossel soll während des Betriebs zugänglich sein. • Stellung des Verschlussorgans soll genau messbar sein. • Genaue Dokumentation der Flächenfunktionen und Durchflussbeiwerte • Funktionstests und hydraulische Prüfungen sollen einfach und „trocken“ durchführbar sein.

7. Aufstellungsarten von Drosseln

8. Halbtrockene Aufstellung – Vor- und Nachteile • Vorteile • Geringer baulicher Aufwand • Anforderungen bezüglich Schieber erfüllt • Einfache Beileitung des Notumlaufs • Drosselbewegung ist während der Funktion genau messbar. • Drosselrohr und -ausströmung sind beobachtbar und zugänglich. • Rückstau wird erkennbar. • Keine Schachtentwässerung erforderlich • Nachteile • Drossel kann unter Rückstau geraten = veränderte Abflussleistung • Drossel muss dauerhaft überstaubar sein. • Drossel muss ex-geschützt sein.

9. Trockene Aufstellung – Vor- und Nachteile • Vorteile • Anforderungen bezüglich Schieber erfüllt • Drossel muss nicht ex-geschützt sein (??). • Drosselbewegung ist während der Funktion genau messbar (abhängig vom Drosseltyp). • Drossel muss nicht überstaubar sein. • Drosselschacht bleibt sauber. • Nachteile • Beileitung des Notumlaufs aufwändiger • Schachtentwässerung erforderlich. • Drosselrohr und -ausströmung sind nicht direkt beobachtbar und zugänglich. • Rückstau wird nicht erkennbar. • Baulicher Aufwand größer.

10. Abflussregelung mit MID und Schieber 10 x d

11. Vorteile der dargestellten Art des MID-geregelten Schiebers • Außer Ausbaustück keine Formteile nötig. • Ablagerungen konzentrieren sich auf Anfang des Messrohres und gelangen nicht in MID-Aufnehmer. • Guter Zugang in das Messrohr von Unterwasser • Inspektionsöffnung erlaubt Zugang und Einblick in MID-Aufnehmer. • Universeller Industrieregler ist kostengünstig und sehr anpassungsfähig, z.T sogar selbstadaptierend. • Fernverstellung des Schiebers ist möglich. • Übernahme von Messsignalen ist möglich.

12. Abflussdrosselung als Steuerung - Hydraulik

13. Steuerfunktion bei der Abflusssteuerung

14. Einfachste Lösung für Steuerungen – Direktansteuerung eines E-Schiebers durch eine Ultraschall-Wasserstandsmessung • Ultraschall-Wasserstandsmessung erfasst Aufstauhöhe • Erforderliche Sollöffnungskurve in Abhängigkeit von Schieberart, Schieberdurchmesser und Stauhöhe ist in Linearisierungstabelle abgelegt. • US-Messumformer setzt Wasserstand in relative Sollöffnungshöhe (= Öffnungsggrad) um und gibt diese als Analogstrom (4-20 mA) aus. • E-Antrieb des Schiebers enthält Stellungsregler, der den Antrieb nach der Vorgabe (Analogstrom) einstellt. • Verstopfungen werden durch Intervallspülung vermieden.

15. Beispiele für Abflusssteuerungen „light“

16. Vorkehrungen für die Prüfung von Drosselorganen nach EKVO o. a. SÜVs Ziel: „Trockene Prüfung“ ermöglichen! • Voraussetzungen: • Nur geringer Rückstau • Dokumentation der hydraulischen Charakteristika der Organe • Messmöglichkeit für genaue Stellung des Verschlusses • Simulierbarkeit eines Regenabflussereignisses • Bauliche Vorkehrungen: • Absperrbarkeit des Beckens • Zugang zur Drossel im Betrieb • Abwasserführung ohne Spritzer und Aerosolbildung. • Einbaumöglichkeit für mobiles MID im Nachschacht

17. Fazit zur Auswahl von Drosselorganen Im Lichte des oben dargestellten Anforderungsprofils für zeitgemäße Drosselorgane erscheint es fragwürdig, selbsttätige mechanische Drosseleinrichtungen dort zu wählen, wo ohnehin Strom vorhanden ist. Die Gründe sind: • Reibungseinfluss ist nicht auszuschließen • Rückstau beeinträchtigt Funktion erheblich • Messwerte fallen nicht an und sind nicht nutzbar. • Verstopfungserkennung ist, sofern überhaupt vorhanden, unsicher. • Fernverstellung nur mit aufwändigen Zusatzbausteinen • Trockene Prüfung nicht möglich • Keine Betriebs-und Störmeldungen • Drosselstellung über Tage nicht sichtbar

18. Kriterien für Klärüberläufe • Gleichverteilter Abzug über die Breite • Rückhaltung von Schwimmstoffen • Gute „Trennschärfe“, d.h. geringe Änderungen des Abzugs bei schwankenden Beckenwasserständen • Möglichst hoch liegender KÜ, da KÜ-Schwelle Beckeninhalt definiert. • Hydraulische Bemessung einfach und genau. • Baulich einfache Konstruktion, keine hohen Anforderungen an Einbaugenauigkeit. Fazit: KÜ muss gedrosselt sein; bei herkömmlichen Konstruktionen (Schlitze) sollte Beckenwasserspiegel nur gering schwanken.

19. Klärüberläufe – Höhenverhältnisse (herkömmliche Lösung Der Schwankungsbereich des WSP ist relativ groß, da die Beckenüberlaufschwelle dort liegt, wo der KÜ seine Abflussleistung erreicht und darüber noch die Überfallhöhe benötigt wird. Ein nicht unerheblicher Teil des gebauten Volumens wird nicht richtig genutzt.

20. Optimierter Klärüberlauf Der Heber im Klärüberlauf bringt mehr Konstanz (Trennschärfe). Seine hydraulische Wirkung ist die Kombination einer Öffnung in Höhe des Auslaufs und einer Überlaufschwelle in Höhe des Mauerdurchgangs. Zusammen mit einer Klappe auf dem Beckenüberlauf wird das gebaute Volumen maximal genutzt.

21. Durchflussmessung an Regenüberlaufbecken • Funktionen und mögliche Standorte: • Abflussmessung zur geregelten Drosselung • In Drosselanlage integriert • Im Unterwasser der Drossel • Messung des Abflusses zur Kläranlage • In Drosselanlage integriert • Im Unterwasser • Messung des Überlaufabflusses • Auf der Schwelle • Im Entlastungskanal

22. Grundriss eines Durchlaufbeckens (schematisch)

23. Hydrometrische Anforderungen für Durchflussmessungen

24. Durchflussmessverfahren an RÜB 1: Es sind regelmäßig Kontrollen auf Ablagerungen vorzunehmen. 2: Wegen hoher Kosten eher unrealistisch. 3: Große Messunsicherheiten möglich! 4: Regelmäßige Kontrolle auf Anlagerungen erforderlich 5: Separate, berührungslose Wassertiefenmessung ratsam 6: Aufwändige Technik und Signalverarbeitung, teuer 7: Einsatz möglich, aber relativ aufwändig 8: Beeinträchtigungen des freien Überfalls beachten! (Strahlbelüftung, Rückstau, Einbauten, etc) 9: Mit definierter Schwellengeometrie für bekannten Überfallbeiwert sorgen! 10: Rückstaufreiheit zwingend, hohe Ansprüche an geometrische Bedingungen 11: Prinzipiell möglich, jedoch hoher Aufwand für Einbau eines passenden temporären Venturi-Kanals

25. Wesentliche Vor- und Nachteile der Messmethoden im Drosselbereich • Vollfüllungs-MID • Nachteil: Ablagerungen bei geringen Abflüssen; • Vorteil: Kostengünstig, Vorlaufstrecke relativ kurz) • Teilfüllungs-MID • Nachteil: Mindestfüllhöhe 10%, Fettfilme, großer Längenbedarf • Vorteil: Misst auch Trockenwetterabfluss; geringere Bauwerkstiefe • Venturi-Kanal; Rückstau-Venturi-Kanal • Nachteil: Ablagerungstendenz durch Querschnittseinschnürung; muss weiter unterstrom angeordnet werden. • Vorteil: Einfach, leicht prüfbar, kostengünstig, berührungslos • Kombinierte v-h-Sonde • Nachteil: Ungenau, unzuverlässig da von Inhaltsstoffen berührt; schwer zu kalibrieren; muss in beruhigten Bereich • Vorteil: Einfacher Einbau; kostengünstig

26. Messprofile an Schwellen Messprofil nach Vollmar Scharfkantiges Wehr Tragflügelmesswehr nach UFT (Prof. Brombach) Halbrundkroniges Wehr

27. h-Sensor Einbauteil v-Sensor Rückstau-Venturi-Kanal

28. Querschnitt „o“ Querschnitt „e“ h-Sensor Energielinie aovo2/2g aeve2/2g ho he v-Sensor zo ze Bezugshorizont Längsschnitt

29. h-Sensor Im Prinzip sind alle Messmethoden für Wasserstände geeignet! Wir bevorzugen: Ultraschallmessung mit Referenzdraht • Vorteile: • Berührungslos, keine Störung, keine Verschmutzung • Hohe Genauigkeit (+-1mm) • Leicht zu kalibrieren • Datenübertragung digital möglich, keine Übertragungsfehler

30. v-Sensor • Verfügbar sind: • Induktive Sensoren • Ultraschall-Doppler-Sensoren • Ultraschall-Sensoren mit Korrelationstechnik

31. Auswertungs- u. Kommunikationsbausteine Im Prinzip kann man die Berechnung mit jedem Rechensystem durchführen. Wir bevorzugen ein modulares System mit Bausteinen für • Analogeingänge • Analogausgänge • Impulsausgänge • Rechencontroller Kosten: ca. 750 EUR

32. Messstelle in einem Entlastungskanal in Limburg

33. Zusammenfassung Das Anforderungsprofil an RÜB-Anlagen und Drosselanlagen hat sich gewandelt zu mehr und erleichterter Kontrolle und größerer Betriebssicherheit (EKVO). Dazu wird bereits häufig ein Stromanschluss für Mess- und DFÜ-Einrichtungen nachgerüstet oder vorgesehen. Wenn aber Strom vorhanden ist, entfällt der wesentliche Grund für den Einsatz selbsttätiger mechanischer Drosselanlagen. Durchflussmessungen an RÜB sind nach wie vor schwierig, da eingehende hydraulische und hydrometrische Kenntnisse gefordert sind. Die Methodik und die passenden Geräte müssen mit spezifischem Sachverstand nach den örtlichen baulichen und hydraulisch-hydrometrischen Bedingungen ausgewählt und eingesetzt werden. Mangelt es an diesem Sachverstand, dann sind erhebliche Messfehler praktisch unvermeidbar, die jedoch in der Regel nicht erkannt werden, da die nachträgliche Kalibrierung sehr aufwändig ist und deshalb unterbleibt.