Energieeffiziente Drehkolbenverdichter

Die Kläranlage in Lüchow wurde 1987 errichtet. Sie ist für 150 000 Einwohnergleichwerte – kurz EGW – ausgelegt und wird aktuell mit einer maximalen Auslastung von ca. 120 000 EGW gefahren, obwohl in ihrem Einzugsbereich nur etwa 20 000 Menschen wohnen. Der Grund für diese hohe Auslastung: In der Kläranlage werden auch die Abwässer einer Stärkefabrik – sie entsprechen 70 000 EGW – und einer Großschlachterei gereinigt. Ihre Abwassermenge entspricht 30 000 EGW.

Die Abwassermenge der beiden Großeinleiter hängt vom Produktionszyklus der Unternehmen. Die Stärkefabrik liefert an sieben Tagen der Woche Abwasser – allerdings nur während der Kampagne von August bis Anfang März. Ganz anders die Situation bei der Großschlachterei. Bei ihr fällt ganzjährig von Montag bis Freitag Abwasser an. Im Unterschied dazu ist die Einleitungsmenge der Bevölkerung (20 000 EGW) im Einzugsgebiet der Kläranlage über das ganze Jahr nahezu konstant.

„Das bedeutet, dass mehr als 80 % der eingeleiteten Abwassermenge einer extrem großen Schwankung unterliegen. Für die Versorgung der Kläranlage mit Prozessluft ist das eine sehr große Herausforderung, besonders dann, wenn sie energieeffizient erfolgen soll“, sagt Abwassermeister Reinhard Korth.

Nach der Inbetriebnahme im Jahr 1987 versorgten drei klassische Turboverdichter mit ölgeschmierter Lagerung und einer Antriebsleistungen von je 318 kW die Kläranlage mit Druckluft. Mit ihren Liefermengen von jeweils 10 000 m3/h waren sie für die Belüftung der drei Belebungsbecken, sie haben eine Tiefe von 8,80 m, überdimensioniert. Außerdem waren sie zu unflexibel, um den über das Jahr stark schwankenden Prozessluftbedarf energieeffizient zu decken. Für eine näher am Bedarf orientierte Prozesslufterzeugung wurden zwei Turboverdichter durch Umbau in ihrer Leistung reduziert. Danach waren folgende Leistungen verfügbar: Zwei Anlagen lieferten nur noch 5000 bzw. 7.500 m3/h. Die Leistung der dritten blieb mit 10 000 m3/h bestehen. Alle drei Anlagen versorgten eine gemeinsame Sammelleitung im Verdichterraum. Von dort aus wurde die Prozessluft bedarfsabhängig über Blendenregulierschieber zu den drei Belebungsbecken geführt.

Bei Erreichen des Sauerstoff-Sollwertes wurden die Turboverdichter durch den entstehenden Gegendruck über Diffusorsteuerungen zurückgefahren. Obwohl die untere Leistungsgrenze dadurch bereits bis 45 % heruntergeregelt werden konnte, lag die Prozessluftproduktion immer noch deutlich über den jeweiligen Bedarfswerten. Das bestätigte auch die von einem in Hannover ansässigen Ingenieurbüro für Abwassertechnik durchgeführte energetische Feinanalyse im Jahr 2010.

Im ersten Schritt empfahl das Ingenieurbüro den Austausch der bisher in den drei Belebungsbecken verwendeten Belüfterkerzen durch Belüfterplatten. Bei einem reduzierten Prozessluftbedarf von nur noch 2500 m3/h pro Becken bewirken sie eine feine, gleichmäßige Blasenbildung und damit eine deutlich effektivere Belüftung der Becken. Im zweiten Schritt, im Sommer 2011, wurden die drei Turboverdichter gegen sechs Drehkolbenverdichter der Baureihe Delta Hybrid der Aerzener Maschinenfabrik ausgetauscht. Folgende Leistungsdaten kennzeichnen die Maschinen vom Typ D 62 S:

Alle sechs Aggregate können über Frequenz-umrichter stufenlos in einer Leistungsbandbreite von 627 bis 3135 m3/h gefahren werden. Jeweils zwei Aggregate versorgen als Tandemlösung über eine separate Zuleitung eines der drei Belebungsbecken. Durch Verbindungsleitungen zwischen den Aggregaten 2 und 3 bzw. 4 und 5 können die Drehkolbenverdichter im Wartungs- oder Störungsfall auch den benachbarten Tandemgruppen zugeordnet werden.

Unter Berücksichtigung der vorgegebenen Wasserhöhe in den Belebungsbecken von 8,80 m sowie der Druckverluste im Rohrleitungssystem und in den Belüftungsplatten werden die Aggregate mit einem Höchstdruck von 940 mbar gefahren.

In den Belebungsbecken wechseln sich die Denitrifikations- und Nitrifikationsphasen in einer beladungsabhängigen Zykluszeit von 180 bis 240 Minuten ab. Der kontinuierlich ermittelte Ammoniumnitratwert (NH4) liefert die Messgröße für den Sauerstoff-Istwert. Der angestrebte mittlere Sauerstoff-Sollwert liegt bei 2,5 mg/l. Ein genau definiertes Steuerungskonzept für die drei Kompressorenpaare stellt sicher, dass dieser Wert in den Belebungsbecken erreicht wird.

Im Normalfall liefert ein drehzahlgeregelter Drehkolbenverdichter pro Becken die benötigte Prozessluft. Er wird aktiviert, sobald der Sauerstoff-Istwert im zugehörigen Becken auf 2,0 mg/l gesunken ist. Erreicht der Sauerstoff-Istwert 4,0 mg/l, wird das Aggregat deaktiviert. Sinkt der Sauerstoff-Istwert jedoch unter 2,0 mg/l, dann wird bei 1,875 mg/l der zweite Drehkolbenverdichter zugeschaltet, um ein weiteres Absinken des Istwertes zu verhindern und einen schnellen Anstieg auf den oberen Grenzwert zu erreichen. Sobald der Sauerstoff-Istwert 2,375 mg/l erreicht, wird der zweite Drehkolbenverdichter deaktiviert und ein Aggregat übernimmt wieder die bedarfsgerechte Produktion der benötigten Sauerstoffmenge.

Innerhalb einer Zyklusphase – sie dauert 240 Minuten – sind die Aggregate in der 50- bis 90-minütigen Denitrifikationsphase aktiv.

Die Delta-Hybrid-Aggregate kombinieren die Vorteile von Drehkolbengebläsen mit denen von Schraubenkompressoren. Bei niedrigen Drücke ähneln sie eher einem Gebläse, bei höheren Drücken einem Schraubenverdichter. Die ölfrei verdichtenden Maschinen eignen sich für die Förderung von Luft und anderen neutralen Gasen im Druckbereich bis 1,5 bar. Einsatz finden sie nicht nur in Kläranlagen, sondern auch in der chemischen Industrie oder bei der pneumatischen Förderung von Schüttgütern.

Die Delta-Hybrid-Anlagen decken Volumenströme von 600 bis 5900 m3/h ab. Sie können in einem Saugbereich bis -0,7 bar eingesetzt werden. Im Vergleich zu Turboverdichtern weisen die robusten, wartungsarmen Maschinen nur unwesentliche Leistungsschwankungen bei schwankenden Eingangstemperaturen oder Drücken auf. Sie zeichnen sich des Weiteren durch eine energieeffiziente Arbeitsweise aus, Energieeinsparungen von bis zu 15 % sind möglich. Hervorzuheben ist ferner die für die Delta-Hybrid-Anlagen typische robuste Lagerkonstruktion. Bei maximaler Belastung liegt ihre Lebensdauer bei 60 000 Betriebsstunden. Darüber profitiert der Anwender von folgenden Vorteilen:

Während der Kampagne in der Stärkefabrik verbrauchten die modifizierten Turboverdichter 7500 bis 9000 kW/Tag. Durch den Einsatz der sechs Aerzener Drehkolbenverdichter Delta Hybrid reduzierte sich dieser Energiebedarf um bis zu 45 % auf jetzt nur noch 4000 bis 5000 kW/Tag. „Außerhalb der Kampagne ist der Einspareffekt zwar etwas geringer, aber immer noch beachtlich“, resümiert Abwassermeister Reinhard Korth.

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