Hochleistungsschraubengebläse in der Wasseraufbereitung

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Frischer Wind für sauberes Wasser

Frischer Wind © Kaeser Kompressoren
Die Kläranlage in Lüneburg ist für fast 400000 Einwohner ausgelegt. © Kaeser Kompressoren

Energieeffiziente Abwasseraufbereitung wird immer wichtiger. Die Kläranlage in Lüneburg wollte darüber hinaus auch eine Lösung, die bei Wetterschwankungen stabil Luft erzeugt und die sich elegant steuern lässt. Ein Schraubengebläse brachte neben einer deutlichen Energiekosteneinsparung die gewünschten Ergebnisse.

Text:
Dipl-Ing. Marcus Jungkunst, Produktmanagement - Product Support | Kaeser Kompressoren
Dipl. Betriebswirtin Daniela Koehler | Pressesprecherin | Kaeser Kompressoren

Leistungsstarke Schraubengebläse sind die neuen Meilensteine der Verdichtertechnik zur Belüftung in der Wasseraufbereitung. Mit einem Leistungsbereich von 132 bis 250 kW, einem Volumenstrom von 2400 bis 9800 m³/h und Differenzdrücken bis zu 1100 mbar zählen sie weltweit zu den stärksten Verdrängerverdichtern in diesem Bereich und bilden nun eine echte Alternative zu den üblicherweise eingesetzten Turboverdichtern.
Die Kläranlage der niedersächsischen Hansestadt Lüneburg ist für eine Größe von rund 325.000 Einwohnerwerten ausgelegt. Sie hat mehrere Klärbecken und verteilt die für die biologische Abwasseraufbereitung erforderliche Luft mittels Blendenregulierschieber auf die bis zu 7 m tiefen Becken. Bisher waren dort vier klassische Turboverdichter mit je 200 kW für die Drucklufterzeugung der Belebung installiert. Der Betreiber suchte allerdings nach einer Lösung, die Lufterzeugung direkter, dynamischer und breitbandiger steuern zu können und unabhängig von extremen Wetterlagen einen konstanteren Lufteintrag zu erzielen. Da sowohl der von den Verdichtern erzeugte Luftmassenstrom als auch die Leistungsaufnahme messtechnisch erfasst und dokumentiert werden, war der Effekt des neu installierten Schraubengebläses schon nach kurzer Zeit deutlich erkennbar.

Schraube versus Turbo

Das Schraubengebläse (in diesem Fall eine HBS von Kaeser Kompressoren) gehört zur Familie der zweiwelligen Rotations- bzw. Verdrängerverdichter das nun auch in dieser Leistungsklasse verfügbar ist. Die gegenläufig drehenden Rotoren greifen ineinander und in den Nuten der Rotoren wird die angesaugte Luft eingeschlossen. Im Laufe der weiteren Rotordrehung wird das eingeschlossene Volumen stetig reduziert und zuletzt durch das sogenannte Auslassfenster in die Prozessleitung geschoben. Es findet bereits im Inneren des Gebläseblocks eine Verdichtung (ölfrei) und damit Druckerhöhung statt. Das Ausschieben eines bereits verkleinerten Luftvolumens gegen den in der Prozessleitung vorherrschenden Druck erfordert weniger Verdrängungsarbeit und spart somit Energie, gerade bei höheren Drücken. Bei diesen Maschinen sind Drehzahlen von 3000 bis 12000 1/min an der Welle des Antriebsrotors üblich. Der gewünschte Luftvolumenstrom wird mittels Frequenzumrichtung am Motor und damit Drehzahlverstellung eingestellt. Bei dem Schraubengebläse ist der Motor mit dem Gebläseblock direkt gekuppelt, Motor und Frequenzumrichter weisen einen Systemwirkungsgrad besser als IES 2 (IEC 61800-9-2) auf.
Der Wirkungsgrades über dem Volumenstrom ist im Bereich 40 bis 100 Prozent nahezu konstant, der Volumenstromregelbereich mit 1:4 sehr breit und relativ unabhängig vom Druck. Gegenüber Drehkolbengebläsen wird ein Energievorteil von bis zu 30 Prozent erzielt.
Turboverdichter sind im Stammbaum der dynamischen Verdichter angesiedelt. Im Bereich der Wasseraufbereitung in der Regel als einstufige Radialverdichter. Die in das schneckenförmige Laufrad axial eintretende Luft wird radial beschleunigt und dadurch der Luft kinetische Energie zugeführt. Im nachfolgenden Diffusor, den die Luft vor Eintritt in die Prozessleitung durchläuft, geht die zugeführte Energie in die Erzeugung von Druck über. Mit verstellbaren Leitschaufeln am Lufteintritt und im Diffusor wird der gewünschte Luftvolumenstrom eingeregelt. Rotordrehzahlen von 20000 bis 40000 1/min erzeugt ein Getriebe am Motor, bei anderen Bauarten ein frequenzgesteuerter High-Speed-Motor. Der Verlauf des Wirkungsgrades über dem Volumenstrom ist im Bereich 65 bis 80 Prozent normalerweise am höchsten, der Regelbereich mit etwas über 1:2 stärker druckabhängig.

Perfekt in die Station eingepasst

In der Kläranlage in Lüneburg wurde das Schraubengebläse im einjährigen Versuchsbetrieb einem maximalen Nutzungstest unterzogen. Da die übergeordnete Leittechnik auf die Ansteuerung der Turboverdichter mit Leitschaufelverstellung angepasst war, bedurfte es einer Adaption der Software um das Schraubengebläse per Drehzahlvorgabe anzusteuern. Das Gebläse kommuniziert mit der Leittechnik über Profibus DP; optional stünden auch Modbus TCP / RTU, Profinet IO, DeviceNet, EtherNet/IP oder die klassischen Verdrahtung zur Verfügung wie auch die Möglichkeit der Druckregelung oder eben wie im Fall Lüneburg, der Drehzahlsteuerung. Erreicht das Gebläse bestimmte Drehzahlgrenzen, wird entweder ein Turbo hinzu geschaltet oder abgeschaltet, um ineffiziente Überlappungen zu vermeiden. Dank einstellbarer Rampenzeiten verursacht das Auf- und Abtouren des Schraubengebläses auch keine den Turbos abträglichen Druckspitzen. Ein direkter Leistungsvergleich ergibt sich durch die Tatsache, dass das Gebläse exakt den bisherigen Betrieb eines Turbos mit 4000 - 9000 m³/h ersetzt, nahezu 24 Stunden im Einsatz davon 12 Stunden im Alleinbetrieb.

Rundum zufrieden

Dem verantwortlichem Elektromeister Christian Willenbockel zufolge, hat das neue Schraubengebläse „alle bisherigen Probleme gelöst“. Vorrang vor möglichen Energieeinsparungen hatte zunächst die Herausforderung den Lufteintrag genauer und konstanter zu gestalten. Dank des wesentlich dynamischeren Regelverhaltens und der Tatsache, dass bei Verdrängerverdichtern der generierte Volumenstrom wesentlich weniger stark mit wechselnden Ansaugdrücken und -temperaturen schwankt, wurde dieses Ziel erreicht. Selbst bei Extremwetterlagen konnten dem Elektromeister zufolge die gewünschten Prozesswerte nun genau gehalten werden. Auch der deutlich geringere Einfluss von Druckschwankungen auf das Regelverhalten der Maschine machte sich nach kurzer Zeit positiv bemerkbar, was auch die Ansteuerung vereinfachte. Neben der Verbesserung der Prozessführung konnte dank laufender Luftmassestrom- und Leistungsmessung darüber hinaus eine deutliche Energieeinsparung bilanziert werden. Das im Verbund mit den Turbos laufende Schraubengebläse machte sich energetisch bei der Gesamtleistungsaufnahme dadurch bemerkbar, dass im Jahr rund 250.000 kWh eingespart werden können, was je nach Jahresgesamtbedarf in etwa 10 bis 15 Prozent entspricht. Dies deckt sich mit den im Vorfeld prognostizierten Energieeinsparungen recht genau, denn dank der Angabe des nutzbaren Volumenstroms und Gesamtleistungsaufnahme des Schraubengebläses innerhalb der engen Toleranzen der ISO 1217 Annex E sind diese messtechnisch belastbar.

Geringer Wartungsaufwand

Was den Platzbedarf betrifft, geben und nehmen sich Schraubengebläse und Turbos am Ende nichts. Werden alle peripheren Komponenten wie zum Beispiel die notwendige Ansaugluftfiltration, Zu- und Abluftrohrleitungen, Diffusoren, Schalldämpfer usw. berücksichtigt, so gleichen sich die Bruttoabmessungen nahezu vollständig.
Den Wartungsbedarf des Gebläses bezeichnet der Betreiber in Lüneburg als nicht nennenswert, zumal mancher Wartungsschritt automatisiert abläuft. Ebenso viel positiv auf, dass durch den Aufbau und die Verwendung von Komponenten nach gängigem Industriestandard die Instandhaltung unproblematisch ist. Im höchst unwahrscheinlichen Fall des Ausfalls einer mechanischen oder elektrischen Hauptkomponente, kann die Maschine darüber hinaus innerhalb eines Tages wieder in Gang gesetzt werden.

Fazit

Ob nun Schraubengebläse oder Turboverdichter oder beides in Kombination die beste Lösung sind, lässt sich anhand der Häufigkeitsverteilung des Luftbebarfs entscheiden (d.h. die zeitliche Verteilung des Volumenstroms zwischen minimalem und maximalem Bedarf). Ebenso relevant ist der reale Betriebsdruck, welcher insbesondere beim Turbo großen Einfluss auf dessen Regelbereich und Abdeckung des Luftbedarfs ausübt.
Es ist sinnvoll sich bei der Lösungsfindung für ein Stationskonzept nicht im Vorfeld auf einzelne Maschinen oder Technologien festzulegen, sondern offen heran zu gehen. Priorität im Vorfeld hat die Untersuchung des Luftbedarfsprofils (Häufigkeitsverteilung) und des realen Bedarfsdrucks. Es geht darum, den Betrieb des späteren Maschinenverbunds schließlich als Ganzes zu betrachten. Beratend stehen hier am besten Firmen zur Seite, die die Vorzüge beider Technologien, also die der Verdränger- und dynamischen Verdichter objektiv darstellen, vergleichen und projektspezifisch bilanzieren können.
Die Kläranlage Lüneburg hat durch ihre Offenheit in Bezug auf Technologie genau ins Schwarze getroffen und deckt den zeitlich am häufigsten gefahrenen Luftbedarf effizient und gut regelbar ab.

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