Mit dem Strom ins 21. Jahrhundert gehen

Zwischen 1990 und 2010 hat die Stadt Cottonwood, Arizona, USA, die im am zweitschnellsten wachsenden County des Bundesstaates liegt, ihre Bevölkerung fast verdoppelt. Dieses Wachstum stellte eine erhebliche Belastung für die veralteten und unzusammenhängenden Wasserversorgungssysteme der Gemeinde dar, die einen Kundenstamm von 30.000 Menschen versorgte. Die Bewohner waren mit häufigen Wasserausfällen konfrontiert, die ein oder zwei Tage andauerten, sowie mit ungleichmäßigem Druck und ständigen Wasserschlaggeräuschen in ihren Häusern.

Aufgrund des schnellen Wachstums der Gemeinde wurde die Wasserversorgung der Stadt über ein Flickenteppich aus vier separaten und in Privatbesitz befindlichen Wassersystemen verwaltet, die jeweils einzelne und sich manchmal überschneidende Versorgungsbereiche kontrollierte. Schlimmer noch: Die kleineren Wasserversorgungsbetriebe waren nicht miteinander verbunden, wodurch die normale Effizienz eines einzelnen, integrierten Wasserversorgers zunichte gemacht wurde.

„Wenn eine Gemeinde nicht Eigentümerin des Wassersystems innerhalb ihrer Grenzen ist, hat sie nicht die Kontrolle über ihr eigenes Schicksal“, erklärt Dan Lueder, General Manager von Cottonwood Development Services. „Ein privates Wasserunternehmen macht sich Sorgen um das Endergebnis und den Gewinn; Die Stadt ist mehr auf die Bereitstellung und Erhaltung von Wasser bedacht.“

Für Cottonwood war die Notwendigkeit, sich mit dem Wasserschutz zu befassen, besonders wichtig; Da die Stadt durchschnittlich nur 12 Zoll pro Jahr regnet, stand sie vor ernsthaften Problemen bei der Wasserversorgung. Die Situation wurde durch Unterschiede in der Länge der Wasserleitungen und Höhenunterschiede im Wasserverteilungsnetz der ländlichen Gemeinde noch komplizierter. Beispielsweise musste eine Druckerhöhungspumpe Wasser über eine Länge von fast 6.300 Fuß sowie eine Höhe von 200 Fuß nach oben pumpen.

Im Jahr 2005 entwickelte die Stadt eine Wassermanagementstrategie, die die Modernisierung ihres Wassersystems mit effektiver Überwachungs-, Kontroll- und Pumptechnologie umfasste; Eine Entwicklung, die durch intelligente, bedarfsgerechte Kommunalpumpentechnik von Grundfos ermöglicht wird. Die Strategie wurde entwickelt, nachdem die Stadt die privaten Wasserunternehmen übernommen hatte, was eine Reihe von Herausforderungen bei der Verrohrung und Pumpen mit sich brachte.

Eine der ersten Aufgaben von Lueder bestand darin, diese separaten Wassersysteme, die etwa 10.000 hauptsächlich häusliche Versorgungsanschlüsse darstellen, in eine einzige kommunale Versorgungsabteilung zu integrieren. Im Jahr 2004 begann die Stadt mit der Einbindung der privaten Wassersysteme und der Einrichtung einer Wasserabteilung, die für die Wasserversorgung und -verteilung über Speichertanks, 28 Brunnen, Hydranten, Pumpen und Wasserzähler verantwortlich ist.

Der Plan der Stadt sah auch vor, dass die Abwasserabteilung, die bisher als eigenständige Einheit fungierte, in die Versorgungsabteilung integriert werden sollte. Diese Abteilung verwaltet eine Abwasseraufbereitungsanlage mit einer Kapazität von 1,5 Millionen Gallonen pro Tag, fünf Abwasserhebestationen, ein 48 Meilen langes Sammelsystem und etwa 80 Acres Abwasserwiederverwendungsfläche.

„Wir mussten diese eigenständigen, unabhängigen Netzwerke miteinander verbinden und zu einem zusammenhängenden System zusammenführen“, erklärt Lueder. „Wir haben viel Arbeit geleistet, um Druckzonen zu identifizieren. Es war eine interessante Erfahrung, die uns im Grunde genommen vom 20. in das 21. Jahrhundert in der Wasserversorgung und -lieferung geführt hat.“

Bei den meisten Pumpen im bestehenden Verteilungssystem der Stadt handelte es sich um Querpumpen mit konstanter Drehzahl, die Brunnenwasser in einen Vorratsbehälter und dann zu Tankstellen und einzelnen Gemeinden pumpten. Zusätzlich zur Bereitstellung von Druckstößen konnten die Pumpen mit fester Drehzahl keinen inkrementellen Druck erzeugen; Die Pumpen waren entweder ausgeschaltet oder liefen auf Höchstgeschwindigkeit.

Wenn beispielsweise der Druck im hydropneumatischen Vorratstank unter 50 Pfund pro Quadratzoll (psi) sinkt, wird eine Pumpe aktiviert, um den Tank auf etwa 75 psi aufzufüllen. Dieser Druckwechsel setzte die Rohre einer Druckänderung von 25 psi aus, wodurch die Leitungen, von denen viele aus dem Jahr 1930 stammten, belastet und vorzeitig gealtert wurden.

Bei einer Rohrlänge von rund 100 Meilen im System verursachten der ständige Druckstoß und der Wasserschlag erhebliche Leckagen und große Reparaturkosten für die Stadt, so dass es in der Hauptleitung fünf bis sieben Lecks pro Woche gab, zusätzlich zu ein oder zwei Lecks in der Hauptleitung die Serviceleitungen.

Das Problem erreichte 2006 seinen Höhepunkt, als zwei elf Jahre alte Druckerhöhungspumpen Anzeichen eines Ausfalls zeigten, erinnert sich Doug Ryan vom Standort Phoenix von Grand Canyon Pump and Supply, der der Stadt Geräteverkauf und Anwendungsunterstützung bietet. Anstatt Gleiches durch Gleiches zu ersetzen, nutzte Ryan die Gelegenheit, um eine neue Wasserverstärkungsoption für das neu konfigurierte System vorzustellen.

„Der beauftragte Bau- und Sanitäringenieur der Stadt befürwortete ursprünglich eine maßgeschneiderte Pumpstation, die nicht nur kostspielig war, sondern auch ein Problem für den langfristigen Plan der Stadt darstellte, diese Station in sieben Monaten zu verlegen“, erklärt Ryan, ein Vertriebsingenieur bei Mehr als 28 Jahre Erfahrung im Umgang mit Pumpen und Pumpsystemen. „Als Alternative empfahlen wir eine „Plug-and-Play“-Paket-Booster-Lösung, die das Gemeindepersonal von Cottonwood selbst verrohren und installieren konnte, wodurch erhebliche Vorlauf- und Arbeitskosten eingespart wurden.“

Ryan entschied sich für den Grundfos Hydro MPC BoosterpaQ, ein integriertes Druckerhöhungssystem, das bis zu sechs vertikale mehrstufige CR-Pumpen im Parallelbetrieb bietet und so die Pumpeffizienz über einen Bereich von Durchflussraten optimiert. Diese integrierten Pumpsysteme eignen sich ideal für Wasserversorgungssysteme sowie Industrie- und Bewässerungsanwendungen und nutzen eine fortschrittliche Steuerung, die die Pumpengeschwindigkeit anpasst und bei Bedarf zusätzliche Pumpen stuft, um den schwankenden Systembedarf zu decken.

Der Hydro MPC BoosterpaQ ist ein integriertes Druckerhöhungssystem für Wasserversorgungssysteme; sowie kommunale Druckerhöhungen, Brandschutz, Wasserübertragung und industrielle Anwendungen. Dieses Druckerhöhungssystem versorgt die Bewohner von Cottonwood, Arizona, mit Trinkwasser und Feuerlöschwasser.

Darüber hinaus konnte die verpackte Einheit problemlos von einem Standort zum anderen transportiert werden, was für Cottonwood bei der Neukonfiguration seines Pumpennetzwerks ein wichtiges Merkmal war. Tatsächlich stellt Ryan fest, dass eines der Booster-Systeme der Stadt jetzt in seiner dritten Anwendung in Betrieb ist.

„Die Flexibilität des konstruierten Systems war für uns ein echter Vorteil“, sagt Lüder. „Sie schließen einfach einen Wassereinlass und -auslass an, stellen die Stromversorgung her, geben den Sollwert ein und schalten das Gerät ein. Das integrierte Pumpensystem erledigt den Rest.“

Lueder weist darauf hin, dass die einfache Installation ausschlaggebend für die Kaufentscheidung der Stadt für das Produkt war. „Die fortschrittliche Steuerung bestimmt die effizienteste Pumpenkombination und Pumpendrehzahl, um jede Betriebsbedingung genau zu erfüllen.“

Bei der Konstruktion mit festem Druck waren laut Ryan eine oder mehrere der Pumpen ständig online, um das System unter Druck zu halten. „Aber das neue Paketsystem würde genau den Druck liefern, der für eine optimale Leistung erforderlich ist – und das alles ohne direkten menschlichen Eingriff“, stellt er fest.

„Anstatt Vollgas zu geben, um den gewünschten Druck zu erreichen, besteht die energieeffizientere Option darin, ein System zu konzipieren, das bei Null beginnt und auf die gewünschte Geschwindigkeit hochfährt, um einen konstanten Druck aufrechtzuerhalten, und bei Bedarf zusätzliche Pumpen hinzuschaltet, um den gewünschten Druck zu erreichen.“ den spezifischen Durchflussbedarf“, fährt er fort. „Da die Nachfrage nach kommunaler Wasserversorgung im Laufe des Tages schwankt, warum nicht die Leistung variieren?“

Mit Motoren mit variabler Drehzahl und fortschrittlichen Steuerungen wird sowohl bei der Drehzahlregelung als auch bei der Pumpenstufung ein hoher Wirkungsgrad aufrechterhalten. Ein weiterer Vorteil der neuen Pumpe ist laut Ryan die Möglichkeit, die Rohrermüdung und den Energieverbrauch durch die Umstellung von konstantem auf proportionalen Druck weiter zu reduzieren. Er erklärt, dass die Pumpensteuerung bei niedrigeren Durchflussraten, beispielsweise über Nacht, den Drucksollwert automatisch senkt, da der Reibungsdruckverlust geringer ist.

„Durch das direkte Laden von Pumpenkurvendaten in die Steuerung kann das Hydro MPC BoosterpaQ-System kontinuierlich die richtigen Durchflussraten schätzen“, erklärt Ryan. „Der Regler verwendet die Durchflussberechnung, um zu bestimmen, wie der proportionale Drucksollwert angepasst werden muss.“

Ingenieure nutzten diese proportionale Pumpensteuerungseinstellung in einigen Installationen der Stadt, um den Energieverbrauch weiter zu optimieren und den Wasserverlust bei niedrigen Durchflussraten aufgrund des reduzierten Druckbedarfs zu minimieren. Ryan geht davon aus, dass mit zunehmender Reife der Gemeinde und ihrer Wasserabteilung weitere Anwendungen die proportionale Pumpensteuerungsfunktion nutzen werden.

Es werden sechs vertikale mehrstufige CR-Pumpen im Parallelbetrieb angeboten, die die Pumpeffizienz über einen Bereich von Durchflussraten optimieren sollen.

Die einfache Installation und Leistung der Pumpenlösungen waren so erfolgreich und machten sogar den beauftragten Ingenieur der Stadt zu einem Fürsprecher, dass Ryan und Lueder einen Plan entwickelten, um weitere Pumpsysteme durch den Hydro MPC BoosterpaQ zu ersetzen.

Laut Lueder hat die Stadt seit Beginn des Programms im Jahr 2005 neun Druckerhöhungsanlagen installiert, sieben für Trinkwasser und zwei für aufbereitetes Wasser. Der Wasserversorger hat außerdem sieben seiner Wasserentnahmestationen mit SP-Tauchpumpen von Grundfos nachgerüstet, die über energieeffiziente Antriebe mit variabler Drehzahl verfügen.

„Nicht alle unserer Systeme enthalten Hydro MPC BoosterpaQs“, gibt Lüder zu. „Aus Platzgründen oder aus anderen Gründen wurden einige vorhandene Pumpen mit drehzahlgeregelten Antrieben nachgerüstet, um die Leistung an den Bedarf anzupassen.“

Ein anderer Standort, der für das Druckerhöhungssystem in Frage kam, trug zur Unterstützung des Brandschutzsystems der Gemeinde bei. Als er erfuhr, dass die Notpumpen nicht ansprangen, als die Feuerwehr die Hydranten spülte, reagierte Lüder zunächst mit der Installation einer kompletten Druckerhöhungsanlage. Nach einer Untersuchung der Pumpstation riet Ryan von Grand Canyon Pump von der zusätzlichen Investition ab und empfahl stattdessen eine Feinabstimmung der aktuellen Systemleistung. Das Projekt hat Ryan dabei geholfen, das Vertrauen von Lueder zu gewinnen, was zu mehr Umsatz und einer stärkeren Partnerschaft geführt hat.

Durch die Eliminierung von Druckstößen im System konnte die Zahl der Rohrbrüche und Lecks, die repariert werden mussten, deutlich reduziert werden. Da einige der Druckerhöhungspumpen darüber hinaus die proportionale Druckeinstellung von Grundfos nutzen, die den Wasserdruck/die Wassermenge während der Bedarfszyklen außerhalb der Spitzenzeiten senkt, führen die geringeren Durchflussmengen zu einer geringeren Abnutzung der Rohrinfrastruktur der Gemeinde sowie zu weniger Wasser geht durch Lecks verloren. „Von 2010 bis 2014 konnten wir einen Rückgang der Lecks um 30 % verzeichnen“, versichert Lüder. „Basierend auf durchschnittlich 500 US-Dollar für die Reparatur jedes Lecks haben wir über die Einsparungen bei den Stromkosten hinaus mehr als 38.500 US-Dollar gespart.“

„Diese Einsparungen sind der Gemeinde nicht entgangen“, berichtet Cottonwood-Bürgermeisterin Diane Joens. „Wasserschutz ist für Gemeinden wie Cottonwood von entscheidender Bedeutung“, bemerkt Joens, der die Stadt in mehreren Wasserschutzorganisationen vertritt, darunter dem Verde Front- und dem String of Pearls Committee, und Vorstandsmitglied der Verde Valley River Nature Organization ist. „Wir sind ein Modell dafür, wie ländliche Wassersysteme neue Technologien einführen können, um den Wachstumsanforderungen gerecht zu werden und gleichzeitig Wasser und Energie zu sparen.“

Ironischerweise war die beträchtliche Verringerung der Lecks ein wesentlicher Faktor dafür, dass die Stadt im Jahr 2014 weniger Wasser aus dem Boden entnahm, als die privaten Wasserunternehmen im Jahr 2000 insgesamt verbrauchten.

Der Anteil des „nicht erfassten Wassers“, der sich auf die Differenz zwischen der entnommenen Wassermenge und der den Kunden in Rechnung gestellten Wassermenge bezieht, ist von 40 % auf 11 % gesunken, was Lüder auch auf die Verringerung der Leckagen seit der Installation des Pakets zurückführt Booster-Systeme. „Zusätzlich zu den Energieeinsparungen durch die effizienteren Pumpen ist unser Gesamtwasserverbrauch gesunken“, sagt Lüder. „Heute entnehmen wir dem Grundwasserleiter weniger Wasser als vor fünf Jahren, was unerlässlich ist, wenn wir die Wasserkrise im Südwesten überbrücken wollen.“

Ebenso wichtig ist, dass die Stadt seit der Installation der neuen Druckerhöhungsanlagen einen Rückgang der Beschwerden über Druckschwankungen und Wasserschlaggeräusche verzeichnete.

Die Energieeinsparungen der Stadt wurden durch einen Versorgungsrabatt des Arizona Public Service unterstützt, der finanzielle Anreize für den Einsatz energieeffizienter Motoren über 15 PS bietet. Im Jahr 2012, als etwa die Hälfte der Pumpstationen des Versorgungsunternehmens Cottonwood mit einer Art VFD-Pumpentechnologie nachgerüstet wurden, zahlte der Arizona Public Service der Stadt einen einmaligen Rabatt von 24.702 US-Dollar. Diese Mittel trugen dazu bei, das Betriebsbudget der Versorgungsabteilung von Cottonwood auszugleichen.

Laut Grundfos macht der Stromverbrauch 85 % aller Kosten aus, die im Lebenszyklus einer Pumpe anfallen. Der anfängliche Kaufpreis der Pumpe und die Kosten für die regelmäßige Wartung machen den Rest aus. Daher kann selbst die kleinste Verbesserung der Energieeffizienz zu erheblichen Einsparungen führen. Darüber hinaus können Systementwickler zusätzliche Energieeinsparungen von 10 bis 35 Prozent erzielen, indem sie abhängig von den Systemparametern von Pumpen mit konstanter Drehzahl auf solche umsteigen, die Antriebe mit variabler Drehzahl nutzen.

Obwohl die Anfangsinvestition in ein Komplettsystem wie das Hydro MPC BoosterpaQ höher ist als bei einigen Alternativen, „kann man die Zuverlässigkeit nicht bepreisen“, schließt Lueder. „Seit der Installation der Grundfos-Lösungen hatten wir keine längeren Systemausfälle. Es ist äußerst zuverlässig und verfügt über integrierte Redundanzen; Wenn eine Pumpe anspringt, gleicht eine andere aus. Selbst für eine kleine Gemeinde wie unsere sind die erstklassige Leistung und die Energieeinsparungen die Investition wert.“