Präzise Belebungsluftregelung mit Iris Blenden-Regulierschiebern – Upper Blackstone
Wirtschaftliches und präzises Regeln von Belebungsluft am Fallbeispiel Upper Blackstone
Iris® Blenden-Regulierschieber ermöglichen eine stabile und reproduzierbare Regelung von Medien über den gesamten Hub der Armatur. Bei Gasen und Belebungsluft werden die Schieber so ausgelegt, dass die zu regelnde Menge in einem Bereich hoher Regelgüte ohne Hysterese betrieben werden kann. Aufgrund seiner einzigartigen Konstruktion mit sechs sich zentrisch öffnenden Segmente, welche komplett ins Gehäuse zurückgezogen werden können, ergibt sich für den Iris® Schieber eine gleichprozentige Armaturenkennlinie. Daraus resultiert eine nahezu lineare Betriebskennlinie mit einem grossen Regelbereich, was den Betrieb wirtschaftlicher Regelkreise ermöglicht. Am Beispiel der Kläranlage Upper Blackstone im Bundestaat Massachusetts (USA) sollen die Unterschiede des Betriebs von Regelklappen und Iris® Blendenregulierschieber kurz erläutert werden.
Iris® Blenden-Regulierschieber mit Massendurchlussmessung auf der KA Upper Blackstone
Im Jahr 2018 erfolgte eine Gesamterneuerung der Biologie der Kläranlage mit dem Ersatz der bis dahin eingesetzten Regelklappen, Gebläsetechnik und Membranbelüftern. Ziele der grossen Umbaumassnahme waren neben der Prozessoptimierung auch Energieeinsparungen für die Belüftung der Belebungsbecken. Die Anlage mit einem durchschnittlichen Durchsatz von 30 Megagallonen/Tag, was hydraulisch in etwa 670.000 Einwohnerwerten entspricht, besteht aus 4 Belebungsstrassen mit jeweils 7 Regelschiebern. Im Zuge der Umbaumassnahmen wurden die handbetriebenen Regelklappen durch Iris® Blenden-Regulierschieber ersetzt, um mithilfe einer Gleitdruckregelung einen präzisen Sauerstoffeintrag in die Becken zu ermöglichen und die Energiekosten zu reduzieren. Jede Belüftungszone wurde vor dem Schieber mit einem Massendurchlussmessgerät vom Typ ABB Sensyflow ausgestattet, um die Iris® Blenden über die reell durchfliessende Menge regeln zu können und in möglichst offener Stellung betreiben zu können.
Abb. 1: Verfahrensschema Biologie der Kläranlage KA Upper Blackstone, MA, USA
Abbildung 1 zeigt das Verfahrensschema der Belebungsbecken. Die Beckenzonen F und G werden jeweils mit unterschiedlichen Sauerstoffsollwerten gefahren, welche sich zwischen 0,5 und 3 mg/l O2 bewegen, die Detaileinstellungen sind auf Abb. 2 „DO Set-Points“ ersichtlich.
Abb.2: Sauerstoff-Sollwerte nach Beckenzonen auf der KA Upper Blackstone
Schon nach wenigen Wochen des Betriebs zeigten sich markante Verbesserungen durch die gefahrene Gleitdruckregelung mit den Egger-Schiebern. Die Sollwerte der verschiedenen Beckenzonen konnten ohne Tuning sehr genau eingehalten werden mit minimalen Schwankungen um den O2-Sollwert (siehe Abb. 3 Results & Achievement).
Abb. 3: Linke Diagrammhälfte: Sauerstoff-Istwerte mit Regelklappen (vor dem Umbau auf Iris-Schieber). Rechte Diagrammhälfte: Sauerstoff-Istwerte mit Iris® Blenden-Regulierschiebern vor dem „Tuning“ der Gleitdruckregelung.
Anfang 2019 wurde dann die Gleitdruckregelung mit den Iris®-Schiebern noch weiter optimiert und die Ergebnisse sind selbsterklärend:
Abb. 4: Sauerstoff-Istwerte auf der Kläranlage Upper Blackstone mit Iris® Blenden-Regulierschiebern und optimierter Gleitdruckregelung.
Im Diagramm 4 ist deutlich die hohe Regelgüte der Iris®-Schieber zu erkennen, schwanken doch die tatsächlich realisierten O2-Werte nur geringfügig um den Soll-Wert und dies bei sich ständig änderndem Luftmengeneintrag, in Abhängigkeit der aktuellen Schmutzfracht der Kläranlage. Die Luftmengen sind in der unteren Diagrammhälfte in „Standard Cubic Feet per Minute“ (SCFM) dargestellt.
Dank dieses hochpräzisen Regelkonzepts sowie der neuen Maschinentechnik konnten schon nach kurzer Zeit beträchtliche Energiemengen eingespart werden, was ein Vergleich des täglichen Energiebedarfs für die Belüftung der Belebungsbecken zeigt. Im Jahresschnitt konnte der Energiebedarf um 10 % gesenkt werden, siehe rote Kurve aus dem Jahr 2019 (Betrieb mit Iris® Blenden-Regulierschiebern). Des Weiteren konnten die Ablaufwerte deutlich verbessert werden und der Einsatz von zusätzlichen Chemikalien wie Karbon massiv gesenkt werden.
Abb. 5: Energieverbrauch der Kläranlage Upper Blackstone für die Belüftung der Belebungsbecken vor und nach der Optimierung (Regelklappen 2016 & 2017 / Iris® Blenden-Regulierschieber 2019)
