Modernste Aufbereitung liefert bestes Trinkwasser

© Siemens AG 2012
Trinkwasser
Modernste Aufbereitung liefert
bestes Trinkwasser
MSR-Technik für Deutschlands größte Nanofiltrationsanlage
Im vergangenen Jahr ging in einem kommunalen
Wasserwerk eine Nanofiltrationsanlage in Betrieb, die
in Deutschland ihresgleichen sucht. Die Anlage filtert
unerwünschte Stoffe aus dem Trinkwasser und stellt
eine Wasserversorgung auf höchstem Niveau sicher.
Druckmesstechnik, Leitfähigkeitsmessungen und
moderne Prozessleittechnik helfen den Stadtwerken
Dinslaken GmbH, die Anlage optimal zu überwachen
und zu steuern.
Im Frühjahr 2010 wurde die größte Nanofiltrationsanlage
Deutschlands eines kommunalen Wasserwerks offiziell in
Betrieb genommen. Sie soll die Stadt Dinslaken in Zukunft
mit Trinkwasser von hoher Qualität versorgen (Bild 1).
Der Bau der Anlage wurde nötig, weil bedingt durch den
Kohlebergbau im Wassergewinnungsgebiet in den nächsten Jahren Änderungen der Strömungsverhältnisse im
Grundwasserspiegel zu erwarten sind.
Bild 1: Gesamtansicht des Wasserwerkes mit der neuen
Nanofiltration im Hintergrund
Die Folge: Rheinufer filtrat und eine Reihe organischer
Spurenstoffe könnten ins Rohwasser der Förderbrunnen
gelangen. Um diese unerwünschten Stoffe aus dem Trinkwasser zu entfernen, haben die Stadtwerke Dinslaken im
Wasserwerk Voerde-Löhnen eine Nanofiltrationsanlage
auf dem neuesten Stand der Technik installiert. Pro Stunde
kann die Anlage 1 100 m³ Wasser aufbereiten. Das druckgetriebene Membranverfahren filtern Ionen und Partikel
im Nanometer-Bereich heraus (Bild 2, Bild 3).
www.siemens.de/sensoren/umwelt
© Siemens AG 2012
Bild 2: Die Nanofiltrationsanlage mit elf Blöcken
Ausgeklügeltes Verfahren
Momentan wird die Nanofiltrationsanlage im Teillastbetrieb gefahren, d. h. etwas mehr als die Hälfte des Wassers durchströmt die Filteranlage. Zurzeit haben die im
Rhein enthaltenen Verunreinigungen die Wassergewinnungsgebiete noch nicht erreicht. Eine Vollaufbereitung
erfolgt, sobald Rheinuferfiltrat die Förderbrunnen kontaminiert. Wann dies eintreten wird, lässt sich nicht vorhersagen, da sich über das Vorrücken der Rheinwasserfront
keine sichere Aussage treffen lässt. Um einer Gefährdung
vorzubeugen, haben die Stadtwerke Vorfeldmessstellen in
Rheinnähe eingerichtet, die beim Eindringen von Rheinwasser in den Grundwasserleiter die Betreiber frühzeitig
alarmieren.
Das gewonnene Permeat ist so rein, dass es viele natürliche mineralische Bestandteile nicht mehr enthält. Bei
Vollaufbereitung stellt eine Aufhärtungsanlage mit
dolomitischem Filtermaterial die Trinkwasserqualität
sicher. Aktuell wird Permeat und Rohwasser über eine
Riesleranlage geführt und gelangt so in die beiden
Vorratswasserspeicher. Es entsteht Trinkwasser von bester
Qualität. Von dort aus wird das Wasser über das nachgeschaltete Trinkwasserpumpwerk in die Transportleitung
eingespeist und über eine Druckerhöhungsanlage dem
Versorgungsnetz der Stadtwerke Dinslaken zugeführt.
Bild 3: Funktionsschema der Nanofiltrationsanlage (Volllastbetrieb). Mit freundlicher Genehmigung Wetzel + Partner
Ingenieurgesellschaft mbH
Sicher ist sicher
Die Stadtwerke entschieden sich, die vorhandene Prozessleittechnik für das gesamte Wasserwerk auf der Basis des
Prozessleitsystems SIMATIC PCS 7 (Version 7) zu modernisieren und zu erweitern. Das redundant ausgelegte Prozessleitsystem stellt eine durchgängige Bedienung und
einheitliche Darstellung der Gesamtanlage einschließlich
aller Außenanlagen sicher (Bild 4). Über ein modifiziertes,
aktives Mosaikschaltbild lassen sich alle vorhandenen
Anlagenteile sowie Außenanlagen zusätzlich überwachen.
Die installierte Leittechnik wurde so ausgebaut, dass die
Zentrale der Wasserwerke Dinslaken einzelne, wichtige
Anlagenteile der Außenstellen wie Druckerhöhungsanlagen, Wasserspeicher sowie Reinwasserpumpen über
Ethernet-Kommunikation bedienen und beobachten kann.
Die besondere Herausforderung dabei: Alle Arbeiten wurden bei laufendem Betrieb durchgeführt, da die Wasserversorgung weiterhin gewährleistet bleiben musste.
Für die Planung von Verfahrenstechnik, Maschinentechnik
und Elektrotechnik zur Modernisierung des Wasserwerks
zeichnete das Unternehmen Wetzel + Partner Ingenieurgesellschaft, Moers, verantwortlich. Die verfahrenstechnische Realisierung der Nanofiltrationsanlage erfolgte durch
A+H Anlagentechnik, Isselburg.
Siemens Industry Solutions erhielt von den Wasserwerken
Dinslaken den Auftrag für die Automatisierungs- und
Elektrotechnik des Wasserwerkes Voerde-Löhnen inklusive
Nanofiltration. Siemens erneuerte auch die komplette
Energieversorgung und -verteilung und errichtete eine
Netzersatzanlage, um maximale Ausfallsicherheit zu
gewährleisten. Zusätzlich wurde eine MittelspannungsSchaltanlage und eine Niederspannungshaupt- und Unterverteilung installiert.
2
Bild 4: Ansicht SIMATIC PCS 7 der Nanofiltrationsanlage Wasserwerk Voerde Löhnen
© Siemens AG 2012
Bild 5: Mosaiktafel in der Warte des Wasserwerkes
Bild 7: Hach Lange Typ 3411SC kontaktierende ZweipolLeitfähigkeitsmessung
Diagnose leicht gemacht
Vertrauen ist gut, Kontrolle ist besser
Um das Rohwasser durch die Druckrohre in die Filterblöcke
der Nanofiltrationsanlage zu pressen, wird ein Betriebsdruck von durchschnittlich 8,2 bar eingestellt. Zu diesem
Zweck wurden elf Förderpumpen mit einer Leistung von
jeweils 150 kW installiert.
Die Nanofiltrationsanlage besteht aus elf gleich aufgebauten Filterblöcken. Jeder Block beinhaltet zwei Filterstufen.
Die erste Filterstufe beinhaltet zehn, die zweite Stufe fünf
Druckrohre. 60 % des Rohwassers verlassen den Filterblock als gereinigtes Permeat, 40 % als Konzentrat, in dem
die gelösten Stoffe enthalten sind. Dieses Konzentrat wird
in der zweiten Filterstufe erneut gereinigt. Die Gesamtausbeute beträgt 80 % (siehe Tabelle 1).
Feststoffe können die Membranen der Filterblöcke verstopfen oder beschädigen. Zur Entfernung von Sand und
Partikeln aus dem Rohwasser sind jedem Nanofiltrationsblock je zwei Vorfilter in Reihe vorgeschaltet. Der erste
Filter enthält Filterelement mit 5 µm Maschenweite,
der zweite Vorfilter hat eine Maschenweite von 1 µm.
Da diese Filter eine Sicherungsfunktion übernehmen,
heißen sie auch „Polizeifilter“. Die Filterleistung wird mit
SITRANS P300 Relativdruckmessumformern vor und hinter
dem ersten Vorfilter und hinter dem zweiten Vorfilter
überwacht. Ist eines der beiden Filter verschmutzt, steigt
der Differenzdruck stark an. So lässt sich eine Verstopfung
der Filter ganz einfach detektieren (Bild 6).
Jeder Filterblock ist mit fünf Leitfähigkeitsmessungen von
Hach Lange ausgestattet (Bild 7). Die Elektroden sind über
einen Anschweißstutzen direkt in der Rohrleitung installiert. Um bestmögliche Genauigkeit zu erzielen, wurden
nach dem kontaktierenden Verfahren arbeitende ZweipolElektroden ausgewählt. Für die niedrigeren Leitfähigkeiten
(Permeat) kommt ein Sensor aus Edelstahl mit einer Zellkonstante K=0,10 vom Typ 3411SC zum Einsatz. Der
Sensor für die höheren Messwerte (Rohwasser und Konzentrat) besteht aus Graphit und hat eine Zellkonstante
von K=1,0 (Typ 3412SC). Beide Elektrodentypen sind ab
Werk vorkalibriert und in dieser Anwendung nahezu kalibrier- und wartungsfrei. Die Temperaturkompensation
erfolgt automatisch über den integrierten Temperaturfühler Pt100.
Reinigungsstufe
Zulauf
Permeat
Konzentrat
Stufe 1
110 m³ Rohwasser
65 m³
45 m³
Stufe 2
45 m³ Konzentrat
aus der 1. Reinigungsstufe
23 m³
22 m³
88 m³,
Ausbeute 80 %
22 m³
Gesamt
Bild 6: Druckmessumformer SITRANS P300 in der Vorfiltration
Tabelle 1
3
© Siemens AG 2012
Bild 8: Der Controller SC1000 zeigt die fünf Leitfähigkeitsmessungen eines Filterblockes direkt vor Ort an
Bild 9: Filterblock mit Leitfähigkeits- und Druckmessung
Über die Messung der Leitfähigkeit des Rohwassers lässt
sich der Zustand des Rohwassers überwachen. Ein typischer Messwert ist 840 µS/cm. Die Messung im PermeatAblauf nach der ersten Filterstufe dient zur Überwachung
der Filterleistung der ersten Membran. Üblicherweise liegt
die Leitfähigkeit bei etwa 12 µS/cm. Die Leitfähigkeitsmessung dient zur Erkennung eines Membrandurchbruchs, denn dann steigt der Messwert um das zehnfache
und mehr an. Über eine Beprobungsstelle lässt sich das
defekte Druckrohr dann identifizieren.
Messtechnik mit Köpfchen
Das Konzentrat aus dem ersten Filter wird in der zweiten
Filterstufe weiter aufgereinigt. Diesen Vorgang überwacht eine Leitfähigkeitsmessung im Permeat-Ablauf.
Anschließend werden beide Permeate gemischt und ebenfalls gemessen (typischer Leitfähigkeitswert: 15 µS/cm).
Das Sammelkonzentrat aus der zweiten Filterstufe (Leitfähigkeit z. B. 3,4 mS/cm) fließt in den Rhein zurück. Über
das Display eines SC1000 Controllers können vor Ort alle
fünf Leitfähigkeitsmesswerte eines Filterblocks gleichzeitig angezeigt werden (Bild 8).
Ein idealer Förderdruck der Filtermembranen ist von
großer Bedeutung für die Steuerung des Prozesses.
Zu niedriger Druck reduziert die Filterleistung, zu hoher
Druck erhöht den Energieverbrauch unnötig. Um hohe
Messgenauigkeit zu gewährleisten, kommen für die
Druckmessung Relativdruckmessumformer des Typs
SITRANS P300 zum Einsatz. Diese zeichnen sich durch eine
minimale Kennlinienabweichung (≤ 0,075 %) und eine
geringe Langzeitdrift von ≤ 0,25 % in fünf Jahren aus.
Zwei SITRANS P300 überwachen den Förderdruck im
Zulauf der Stufe 1 und 2 jedes Filterblockes. Denn bei
einem Membrandurchbruch steigt neben der Leitfähigkeit
auch der Druck hinter den Filtern sprunghaft an. Aus diesem Grund sind im Permeat-Ablauf und im Sammelkonzentrat-Ablauf weitere Druckmessungen installiert.
Der Messumformer verfügt über umfangreiche Diagnosefunktionen, die Störungen unmittelbar an das Leitsystem
weiterleiten.
Ein weiteres Überwachungsziel ist die Erkennung einer
Verstopfung oder Verblockung der Membranen durch
Messung der Druckdifferenz zwischen den einzelnen
Stufen.
4
© Siemens AG 2012
Gelungene Gesamtkomposition
In der Nanofiltrationsanlage der Stadtwerke
Dinslaken GmbH im Wasserwerk Voerde-Löhnen
sorgen bewährte, intelligent eingesetzte Messverfahren wie Druckmessungen von Siemens oder
Leitfähigkeitsmessungen von Hach Lange für einen
sicheren Betrieb.
Bild 10: Hydrostatische Füllstandmessung SITRANS P MPS im
Rohwasserbehälter 1 (links)
Besteht Bedarf, die Membranen zu reinigen, pumpt das
Reinigungspumpwerk Reinigungschemikalien (Lauge
und Säure) zirkulierend in die Filterblöcke. Die aus den
Membranfiltern ausgespülten Ablagerungen werden zum
Schutz der Membranen über ein zwischengeschaltetes
Filterelement aus der Reinigungslösung entfernt. Die
Überwachung dieses Polizeifilters (Aufbau 5 µm und
1 µm) erfolgt ebenfalls mit dem SITRANS P300. Der Druckmessumformer überwacht auch den Pneumatikdruck, der
für die Steuerung der Pneumatikarmaturen erforderlich
ist.
Den Füllstand in den Rohwasser-, Permeat- und
Konzentratbehältern und in den Pumpenschächten
messen hydrostatische Druckmessumformer vom Typ
SITRANS P MPS. Dieser einfach anzuwendende Druckmessumformer besteht aus einem frontbündig eingebauten
Piezowiderstands-Sensor, dessen Gehäuse und Messmembranen aus Edelstahl sind.
Bisher läuft die Anlage zur vollen Zufriedenheit des
Kunden. Durch den Einsatz moderner Leittechnik
ergeben sich viele neue Möglichkeiten: Bei nichtbesetztem Wasserwerk – beispielsweise in den
Nachtstunden – werden über die Ethernet-Kommunikation Störungen zentral gemeldet und an das
Bereitschaftspersonal übermittelt. Die Mitarbeiter
können sich dann über den Bereitschafts-Client von
zu Hause aus auf die Anlage schalten und sie bedienen und beobachten.
„Die Druck- und Leitfähigkeitsmessungen arbeiten sehr präzise und sind praktisch wartungsfrei.
Der bisher störungsfreie Betrieb ist der beste
Beweis dafür, dass wir mit der Messtechnik von
Siemens die richtige Wahl getroffen haben. Mit
dem übergeordneten Leitsystem SIMATIC PCS 7
haben wir die Anlage immer im Blick und können
sie von zentraler Stelle aus sehr komfortabel
steuern.“
Dirk Bittner, verantwortlicher Wasserwerksmeister
im Wasserwerk Voerde Löhnen
5
© Siemens AG 2012
Siemens AG
Industry Sector
Sensors and Communication
Process Instrumentation
76181 KARLSRUHE
DEUTSCHLAND
Änderungen vorbehalten
© 04/2012, Siemens AG
Die Informationen in dieser Case Study enthalten
Beschreibungen bzw. Leistungsmerkmale, welche
im konkreten Anwendungsfall nicht immer in der
beschriebenen Form zutreffen bzw. welche sich
durch Weiterentwicklung der Produkte ändern
können. Die gewünschten Leistungsmerkmale
sind nur dann verbindlich, wenn sie bei Vertragsschluss ausdrücklich vereinbart werden.
Liefermöglichkeiten und technische Änderungen
vorbehalten.
Alle Erzeugnisbezeichnungen können Marken
oder Erzeugnisnamen der Siemens AG oder
anderer, zuliefernder Unternehmen sein, deren
Benutzung durch Dritte für deren Zwecke die
Rechte der Inhaber verletzen kann.