Pumpenersatz für die Wasseraufbereitungsanlage am Huronsee

Modernisierung einer 50 Jahre alten Pumpstation

Seit etwa 50 Jahren beziehen Einwohner und Betriebe in acht Kommunen des Großraums London, Ontario, Trinkwasser aus der Wasseraufbereitungsanlage am Huronsee. Die Anlage befindet sich in der Nähe von Grand Bend und hat das Einzugsgebiet über all diese Jahre gut versorgt. 2017 kündigte der Wasserversorger Lake Huron Primary Water Supply System (LHPWSS) die Durchführung eines Energieaudits und eine Untersuchung zur Pumpenoptimierung an. Dabei wurden Möglichkeiten zur Optimierung des Pumpenbetriebs und erhebliches Energieeinsparpotenzial in der Pumpstation festgestellt.

Ein konkretes Ergebnis dieser Untersuchungen war die Änderung der Pumpenkonfiguration. Statt der ursprünglich eingebauten fünf Pumpen sollten nun sechs Pumpen den Betrieb übernehmen. Dazu wurden drei der vorhandenen 50 Jahre alten Pumpen mit einer Leistung von 3000 PS (2237 kW) ausgebaut und durch vier KSB-Pumpen ersetzt. Die neuen Pumpen bieten ein hohes Energieeinsparpotenzial, wenn sie auf ihren Kennlinien laufen. Als Stromkunde hat LHPWSS im Rahmen des vom Stromnetzbetreibers (IESO) aufgelegten Förderprogramms (IAP) Anspruch auf finanzielle Unterstützung von förderfähigen Energieeffizienzprojekten.

Die Regionale Wasserversorgung (Regional Water Supply Division) der Stadt London, Kanada

London liegt im Südwesten Ontarios, entlang des Korridors Quebec City-Winsor. Aufgrund ihrer Lage wird die Stadt mit dem Wasser aus den Seen Huron und Erie versorgt. Die Regionale Wasserversorgung (RWS) der Stadt London unterstützt die regionalen Wasserverbände und ist für zwei große Wasserversorgungssysteme zuständig: das LHPWSS und das Elgin Area Primary Water Supply System (EAPWSS). Das LHPWSS versorgt die Kommunen London, Lambton Shores, North Middlesex, South Huron, Bluewater, Middlesex Centre, Lucan-Biddulph und Strathroy-Caradoc über eine Wasseraufbereitungsanlage nördlich des Ortes Grand Bend in South Huron. Mit einer Aufbereitungskapazität von derzeit 340 Millionen Litern pro Tag (75 Millionen imp. Gallonen pro Tag) versorgt die Anlage rund 420.000 Einwohner in den acht Kommunen, 80 % davon in der Stadt London.

Besondere bauliche Gegebenheiten und eine weltweite Pandemie

Ursprünglich war die Pumpstation für eine einzige Leitung ausgelegt. In den Jahren 1996 und 2014 wurde die 47 km lange Hauptleitung durch RWS teilweise als Doppelleitung ausgeführt und mündete dann in einem Speicherbecken. Infolgedessen liefen die Pumpen nicht mehr auf ihren Kennlinien. „Nach fast 50 Jahren wurden die vorhandenen Pumpen immer ineffizienter, und die Laufräder wiesen Anzeichen von Lochfraß auf. Da die Pumpen außerhalb ihrer Kennlinien liefen, war ein hoher Wartungsaufwand erforderlich, um sie betriebsbereit zu halten", berichtet Billy Haklander, Capital Program Manager, LH&EAPWSS.

Die größten Herausforderungen für die Pumpenanbieter bestanden darin, Energieeinsparungen zu erzielen und sicherzustellen, dass die Pumpen auf dem begrenzten Platz in der Maschinenhalle untergebracht werden können und der Boden das Gewicht der Pumpen tragen kann. Darüber hinaus mussten die Pumpenanbieter einen großen Betriebsbereich bei niedrigem NPSH garantieren. Die Pumpen sollten in der Lage sein, verschiedene Betriebszustände bei voller Drehzahl abzudecken.

„Es gab eine Reihe von Anforderungen, die wir bei diesem Projekt zu berücksichtigen hatten, unter anderem die Anpassung der Konstruktion an den verfügbaren Platz in der Maschinenhalle“, erklärt Marcus Henderson, KSB National Operations Manager. „Da es sich um eine bestehende Anlage handelte, konnten wir also nur mit der zur Verfügung stehenden Fläche arbeiten und hatten mit den vorhandenen Pumpen, deren Saugstutzen unten am Gehäuse angebracht war, eine weitere wichtige Vorgabe. Normalerweise liegen Saug- und Druckstutzen bei horizontalen, längsgeteilten Pumpen auf derselben Ebene. Das hieß, wir mussten eine Lösung finden, bei der der Saugstutzen unten am Pumpengehäuse angeordnet war. Unter Berücksichtigung der vorhandenen Rohrleitungen haben wir Modelle erstellt und konnten das Problem lösen.”

„Der Lieferumfang des Projekts umfasste am Ende vier horizontale, längsgeteilte Spiralgehäusepumpen mit nach unten ausgerichteten Saugstutzen, ein System zur Schwingungsüberwachung sowie Strömungsgleichrichter (Einlaufkreuze zur Verbesserung der Zulaufbedingungen) für die Trinkwasserverteilung (Wasserversorgung)”, so Marcus Henderson. „Bestandteil des Vertrags war auch die Lieferung von zwei Elektromotoren der Marke TECO mit einer Antriebsleistung von 1494 kW / 2000 PS und einer Drehzahl von 1200 U/min, 4160 V / 3-Phasen / 60 Hz sowie zwei Elektromotoren der Marke TECO mit einer Antriebsleistung von 2611 kW / 3500 PS und einer Drehzahl von 1200 U/min, 4.160 V / 3 Phasen / 60 Hz. Wir haben ebenfalls die Torsions- und Lateralanalyse für die Pumpenaggregate durchgeführt und waren für die Inbetriebnahme vor Ort verantwortlich.”

Die Pumpen der Anlage sind für eine Förderleistung von 1158 l/s ausgelegt. In der Druckleitung jeder Pumpe sind eine Kipprückschlagklappe mit einem Durchmesser von 500 mm sowie ein metallisch dichtender Kugelhahn ebenfalls mit einem Durchmesser von 500 mm und elektrischem Stellantrieb installiert. Die Wasseraufbereitungsanlage hat zwei hydropneumatische Speicher mit einem Fassungsvermögen von je 580 m³ zum vorübergehenden Schutz des 47 km langen, teilweise doppelt angelegten Wasserleitungssystems mit Durchmessern von 1200 mm.

Vier Pumpen mit höchster Effizienz bei niedrigsten Lebenszykluskosten

Vier internationale Pumpenhersteller haben Angebote eingereicht, aber das von KSB Kanada setzte sich durch. Trotz der mit Abstand höchsten Investitionssumme konnte KSB mit den niedrigsten zu erwartenden Gesamtlebenszykluskosten über 25 Jahre punkten. Das war der beeindruckenden Energieeffizienz und der kreativen Lösung von KSB zu verdanken. So hatte KSB nur eine einzige Baureihe für alle vier Pumpen (große und kleine) vorgesehen, was den Ersatzteilbedarf reduziert und infolge die Lebenszykluskosten senkt. Außerdem bot diese Lösung die erforderliche Flexibilität, um bei steigendem Bedarf zukünftig die Pumpenkapazität problemlos zu erhöhen. KSB Kanada erhielt den Zuschlag und begann 2019 mit der Planung und Beratung. Die Herstellung der Pumpen startete 2020, die modernisierte Pumpstation wurde im August 2022 in Betrieb genommen.

Damit LHPWSS bei der Auswahl der Pumpen so flexibel wie möglich sein konnte, wurden vier Pumpenlieferanten aufgefordert, getrennte Angebote für die kleinen und großen Pumpen abzugeben und einen Nachlass für den Fall zu gewähren, dass sich LH&EAPWSS für die Lieferung der kleinen und großen Pumpen von einem Hersteller entscheiden sollte. Die kreative Lösung von KSB bestand darin, alle vier Pumpen mit einer einzigen Baureihe abzudecken, wobei nur die Laufräder und Motoren entsprechend der Pumpengröße unterschiedlich waren. Die Grundplatten aller Pumpen waren gleich groß. Die von KSB vorgeschlagene Lösung bedeutete einerseits zwar hohe Investitionskosten, aber andererseits einen geringeren Ersatzteilbedarf und damit Kosteneinsparungen für den Kunden.

Ein enormer Vorteil des Angebots von KSB war, dass für die kleineren Pumpen die gleichen Gehäuse- und Grundplattengrößen wie für die größeren Pumpen vorgesehen waren und damit die Möglichkeit bestand, durch den Einbau größerer Laufräder und Motoren die Leistung der kleinen Pumpen zu einem späteren Zeitpunkt zu erhöhen. Das kann vor Ort geschehen, ohne Arbeiten am Bauwerk vornehmen zu müssen. So kann die Wasserversorgung bei steigendem Bedarf mit einem Minimum an Kosten und Störungen in der Anlage aufrechterhalten werden.

Die von LH&EAPWSS beauftragten Planer AECOM Canada führten eine Analyse der Lebenszykluskosten für einen Zeitraum von 25 Jahren unter Berücksichtigung der Investitionskosten, des Energieverbrauchs und der Wartungskosten durch, und KSB erhielt infolge den Zuschlag. Da die von KSB angebotenen Pumpen die technischen Anforderungen erfüllten und die niedrigsten Kosten über die zu erwartende Gesamtlebenszykluszeit von 25 Jahren aufwiesen, empfahlen AECOM und RWS, das Angebot von KSB anzunehmen.

Die RDLO-Pumpen

RDLO-Pumpen haben sich in zahlreichen Wasseranwendungen weltweit bewährt und wurden für die spezifischen Anforderungen des Kunden als bestens geeignet befunden. Die längsgeteilten, einstufigen RDLO-Spiralgehäusepumpen von KSB wurden speziell für Rohwasser, reines Wasser, Brauchwasser und den Transport von Flüssigkeiten mit minimalem Strömungswiderstand konzipiert. Aus diesem Grund senken sie die Energie- und Lebenszykluskosten der Anlagen, in denen sie zum Einsatz kommen. Darüber hinaus sind sie zuverlässig und bieten eine hohe Verfügbarkeit. Die Zuverlässigkeit beruht auf den von robusten Teilflanschen abgedichteten Spiralgehäusehälften, während die hohe Verfügbarkeit auf die Verwendung großzügig dimensionierter Lager und hochwertiger Wellendichtungen zurückzuführen ist. Dauerhafte Laufruhe wird durch den strömungsgünstigen, verwirbelungsfreien Einlaufkrümmer und die starre Welle mit geringen Lagerabständen geschaffen. Da die Welle im fördermediumberührten Bereich komplett abgedichtet ist und weder Stufen noch Gewinde besitzt, bietet die RDLO eine zuverlässige Kraftübertragung. 

Die Kombination aus massiven Lagerträgern, einer kurzen und steifen Welle und vorgespannten Lagern garantiert geringe Vibrationen und eine lange Lebensdauer der Lager, Dichtungen und Kupplung. Die längsgeteilten Spiralgehäusepumpen vereinfachen die Wartung, da alle Teile für eine gründliche Inspektion leicht zugänglich sind. Der Antrieb kann sowohl links als auch rechts von der Pumpe angeordnet werden, ohne dass zusätzliche Teile oder Änderungen am Gehäuse erforderlich sind. „Zwei der Pumpen sind mit 3500-PS-Motoren und die beiden anderen mit 2500-PS-Motoren ausgerüstet. Hierbei handelt es sich um die Hauptpumpen, die das gesamte LHPWSS-Gebiet mit Trinkwasser versorgen, unter anderem viele Kunden in über 50 km Entfernung, wodurch der Energieverbrauch der Pumpen entsprechend hoch ist. „Es sind manchmal kleine Verbesserungen, die den Wirkungsgrad um ein oder zwei Prozent erhöhen, aber angesichts der Gesamtgröße der Anlage macht sich das in den Kosten deutlich bemerkbar“, so Marcus Henderson.

Der Einbau

„Da die Pumpen in ein bereits vorhandenes Bauwerk eingebaut wurden, musste die Anlage während der Nachrüstung mit halber Leistung gefahren werden“, erklärt Billy Haklander. „Der in der Anlage vorgesehene Reserveaufstellbereich konnte für den Einbau der ersten Pumpe genutzt werden. Während des Einbaus von Pumpe 5 und Pumpe 6 liefen die Pumpen 1, 2 und 3. Nachdem die eingebauten Pumpen geprüft und wir mit ihrer Leistung zufrieden waren, konnten die Pumpen 4, 5 und 6 ihren Betrieb aufnehmen und die Pumpen 1, 2 und 3 eingebaut werden.“

Der Einbau neuer Pumpen war die Gelegenheit, auch Absperrarmaturen nachzurüsten. Aufgrund der fehlenden Absperrarmaturen an den Bestandspumpen musste man früher die Hälfte der Druckleitungen (drei Pumpen) absperren, um an einer Pumpe eine Reparatur durchführen zu können. Die Pumpenkapazität der Anlage war damit effektiv auf die Hälfte ihrer Nennkapazität begrenzt. Durch den Einbau einer kombinierten Rückschlag- und Absperrarmatur anstelle von zwei einzelnen Armaturen in jeder Pumpendruckleitung war jede Pumpe mit einer eigenen druckseitigen Absperrarmatur ausgerüstet. Zukünftig kann so die Druckleitung jeder Pumpe für Wartungs- und Reparaturarbeiten abgesperrt werden.

Der Pumpenwirkungsgrad

Ein zentraler Aspekt des Projekts war die Frage, ob die Energieeinsparungen mit den Pumpen tatsächlich erreicht werden, weshalb eine Abnahme im KSB-Werk in Halle (Deutschland) erforderlich war. „Zur Durchführung der Stringtests (Probeläufe) und zur Aufzeichnung der Gesamtleistung der Pumpen mussten Motoren für die entsprechenden Pumpengrößen in unser Werk geliefert werden“, erklärt Henderson. Um den Motorwirkungsgrad zu ermitteln, mussten die Motoren außerdem eine Typprüfung unter Volllast gemäß IEEE-Norm absolvieren. „Der Wirkungsgrad der Pumpen wurde auf der Basis der im Werk erfassten Gesamtleistung und der Daten des Motorenherstellers ermittelt. Bei diesem Projekt waren hohe Vertragsstrafen für die Leistungsgarantien vorgesehen, so dass KSB bei Nichteinhaltung der garantierten Wirkungsgrade die Differenz zwischen den tatsächlich angefallenen und den garantierten Energiekosten über die gesamte Laufzeit an LHPWSS würde zahlen müssen“, ergänzt Henderson.

„Erwähnenswert ist die Tatsache, dass die Pumpentests an unbeschichteten Pumpen durchgeführt werden mussten. Da die Beschichtung erst nach den Testläufen aufgebracht wurde, ermittelten diese Tests den wirklichen Wirkungsgrad der Pumpen. Wenn man bedenkt, dass eine Beschichtung den Wirkungsgrad um ein bis zwei Prozent verbessern kann, fanden die Tests unter erschwerten Bedingungen statt.“

Fazit

„Der Austausch von fünfzig Jahre alten Pumpen im Wasserwerk am Huronsee wird zu erheblichen Energieeinsparungen und zur Optimierung des Pumpenbetriebs führen. Dieses große Infrastrukturprojekt umfasste den Einbau von zwei Pumpen mit einer Leistung von 2000 PS/1494 kW und zwei Pumpen mit einer Leistung von 3500 PS/2611 kW samt kombinierten Rückschlag- und Absperrarmaturen sowie einer Mittelspannungsschaltanlage (Motor Control Centre). Die Installation erfolgte, ohne die Versorgung der regionalen Kunden von LHPWSS zu unterbrechen“, so Billy Haklander.

„Die Zusammenarbeit mit KSB und den anderen Anbietern während einer weltweiten Pandemie stellte uns vor unvorhergesehene Herausforderungen, aber ich war erstaunt, wie gut das Projekt lief. Das KSB-Team in Kanada konnte die Verfolgung der Tests mit einem virtuellen Abnahmeprogramm ermöglichen und von den zuständigen Ingenieuren im KSB-Werk in Halle (Deutschland) erhielten wir alle gewünschten Informationen. KSB hat an vorderster Front zum Erfolg dieses Projekts beigetragen. Die Zusammenarbeit von KSB mit den Hauptakteuren, insbesondere dem Generalunternehmer, Kenaidan Contracting, wurde sehr geschätzt. Kenaidan Contracting war verantwortlich für den Einbau der Pumpen und die mechanischen Aspekte des Projekts sowie die Überwachung der Installation der elektrischen Komponenten durch deren Subunternehmer Selectra“, so Billy Haklander.

Für KSB Kanada hat das Projekt einige organisatorische Veränderungen gebracht. Aufgrund des Huronsee-Projekts hat KSB Kanada seine technischen und personellen Ressourcen für die Inbetriebnahme erhöht, um weitere wichtige Infrastruktur- bzw. Wasserversorgungsprojekte dieses Umfangs in Kanada durchführen zu können.

Marcus Henderson resümiert: „Dass wir in der Lage waren, Ressourcen für ein ständiges Inbetriebnahme-Team zu schaffen, war einer der positiven Aspekte dieses Projekts. Da die Projekte immer komplexer werden und sich über längere Zeiträume erstrecken, besteht ein Bedarf an größerer Kontinuität, und wir sind bestrebt entsprechend dieser neuen Entwicklung unseren Kunden personell und technisch ständig zur Verfügung zu stehen.“

Standort: Großraum London im Südwesten Ontarios, Kanada

Kunde: Die Regionale Wasserversorgung (Regional Water Supply Division) der Stadt London, Kanada

Projektdaten:

2 x RDLO 500-835 B SC G O BS

• Auslegungsförderstrom: 900 l/s (78 Mio. Liter pro Tag)
• Auslegungsförderhöhe: 125 m (Gesamtförderhöhe)
• Niedrige Drehzahl
• Anlauf der Pumpe mit Softstarter

2 x RDLO 500-835 A SC G O BS

• Auslegungsförderstrom: 1300 l/s (112 Mio. Liter pro Tag)
• Auslegungsförderhöhe: 150 m (Gesamtförderhöhe)
• Niedrige Drehzahl
• Anlauf der Pumpe mit Softstarter