Drucktransienten-Überwachungssystem verbessert bei Versorger aus Georgia die Leckagesuche und das Anlagenmanagement

Mit drei Pumpstationen, die innerhalb einer einzigen Druckzone betrieben werden, ändert sich die Durchflussrichtung des Systems je nach Bedarf und Eingangsmenge rund um den Kreislauf. Das Netz transportiert Wasser über große Entfernungen mit niedrigen Geschwindigkeiten, um den Druckverlust zu minimieren, wobei der Druck aufgrund der Höhenunterschiede im Versorgungsgebiet zwischen 1,4 und 16 bar liegt. Fünf erhöhte Speichertanks, die auf den Bergkämmen von Südwesten nach Nordosten positioniert sind, sorgen für zusätzliche Druckstabilität und verhindern, dass sich viele Drucktransienten im gesamten Netz ausbreiten.

Im Jahr 2016 kam es bei der CCMWA zu einer Reihe von Ausfällen von Zapfventilen an Auslässen mit einem Durchmesser von 15 bis 30 cm. Jeder Ausfall führte zu einer Öffnungsströmung, die die Leckrate auf die Kapazität des geschlossenen Rohrleitungsnetzes beschränkte. Da der daraus resultierende Druckverlust in den Druckmessungen im stationären Zustand nicht leicht zu erkennen war, begann der Versorger, neue Überwachungstechnologien zu prüfen, um diese Ereignisse besser erkennen und lokalisieren zu können.

An einer der 106 cm-Hauptleitungen der CCMWA kam es zu einem Defekt an einem 20-cm-Anbohrschelle. Durch die Erfassung von Drucktransientendaten in einem Modus mit hoher Abtastrate (128 Mal pro Sekunde) konnten die Betreiber das Leck schnell lokalisieren, isolieren und identifizieren.

Erkennen von Systemfehlern

Bisher berechnete die CCMWA große Fehler, indem sie den Gesamtbedarf des Systems durch einen Vergleich der Pumpenleistung bei hohem Durchfluss und der Tankfüllstände mit Niederschlagsdaten ermittelte, um den erwarteten Bedarf zu schätzen. So sank der Bedarf in regnerischen Sommermonaten in der Regel auf ein Minimum und stieg in Trockenperioden wieder an.

Die Analyse eines 45,5-MLT-Fehlers im Jahr 2014 ergab einen zusätzlichen Druckverlust von nur 0,14 bar in der 91,5-cm-Druckleitung, die eine Auslegungskapazität von 530 Millionen Litern pro Tag hatte. Eine weitere Auswertung ergab, dass selbst ein 37,8-MLT-Fehler am entferntesten Punkt nur einen Druckverlust von 0,37 bar verursachen würde, was solche Lecks allein durch eine stationäre Druckanalyse schwer zu erkennen macht.

Diese Erkenntnis veranlasste die CCMWA, alternative Überwachungstechnologien in Betracht zu ziehen. Eine akustische Überwachung wurde aufgrund der Länge des Netzes von 320 Kilometern und der erforderlichen Sensordichte als unpraktisch ausgeschlossen. Der Versorger identifizierte schließlich die Drucktransientenüberwachung als die für seine Anforderungen effektivste Lösung.

Im März 2016 installierte CCMWA 10 PIPEMINDER-ONE Standard-Geräte im Abstand von 9 bis 17 Kilometern, wobei der Schwerpunkt auf Gebieten mit häufig auftretenden Leckagen lag. Diese fortschrittliche Lösung zur Druck- und Transientüberwachung von Badger Meter wurde entwickelt, um Wasserversorger dabei zu unterstützen, transiente Ereignisse – wie Druckstöße, Rohrbrüche oder Leckagen – in ihren Rohrleitungsnetzen zu erkennen, zu lokalisieren und zu analysieren.

Drucküberwachung in der Praxis

An einem Freitagabend um 19:56 Uhr wurden zwei ungewöhnliche Ereignisse identifiziert: eine erhebliche und unerklärliche Änderung der Strömungsrichtung beim Verlassen der Aufbereitungsanlage und ein unerwarteter Druckabfall in der Anlage und an einem anderen Überwachungsstandort. Die Betreiber vermuteten sofort ein größeres Leck in der 106-cm-Leitung, die sich östlich der Anlage erstreckt. Um 22 Uhr wurden Teams entsandt, die das Problem lokalisierten – eine defekte 20-cm-Anbohrschelle.

Ein Vergleich der Druckdaten mit hoher Abtastrate (128 Abtastungen pro Sekunde) mit den in Intervallen von einer Minute gesammelten SCADA-Daten (Supervisory Control and Data Acquisition) zeigte die Vorteile der Transientenüberwachung. Die hochauflösenden Daten zeigten deutlich die Laufzeiten und Anomalien der Transientenwellen, während die SCADA-Daten mit niedrigerer Auflösung nicht genügend Details lieferten, um signifikante Ereignisse aufzudecken.

Seit der Einführung des Drucküberwachungssystems hat die CCMWA wichtige Analysemethoden entwickelt, um transiente Daten effizienter zu interpretieren. Dieser Ansatz ermöglicht es den Mitarbeitern, sich auf aussagekräftige Ereignisse zu konzentrieren, anstatt Zeit mit der Analyse des normalen Netzwerkverhaltens zu verbringen.

Die Power der Triangulation

Der Begriff „Triangulation” bezieht sich auf die Lokalisierung der Quelle wichtiger transienter Ereignisse, wie z. B. Druckstöße. Diese automatisierte Funktion innerhalb der RADAR-Druckmanagementplattform erkennt Druckwellen an mehreren Überwachungsstandorten und berechnet anhand hochauflösender Zeitdaten den Ursprung des Ereignisses.

Im Juni 2019 löste ein größerer Rohrbruch einen Alarm aus. Die Betreiber wurden über das SCADA-System sofort auf den Vorfall aufmerksam, konnten aber anhand der Transientenüberwachungsdaten den Ort des Bruchs genau lokalisieren, bevor die Einsatzkräfte vor Ort eintrafen. So konnten die Teams vor Ort und die lokalen Behörden unverzüglich direkt an der richtigen Stelle tätig werden.

Drei Geräte zeichneten den Druckabfall auf, darunter eines, das 0 bar erreichte. Der geschätzte Leckagefluss betrug 378,5 MLT, und an nahe gelegenen Überwachungsstellen wurden Druckabfälle von bis zu 13 bar beobachtet. Der Triangulationsalgorithmus von RADAR schätzte den Ort des Bruchs auf 150 Meter Entfernung genau – eine beeindruckende Präzision, die innerhalb weniger Minuten automatisch erzielt wurde.

Die CCMWA nutzt auch eine weitere Plattformfunktion, die als Ereignis-Clustering oder Formklassifizierung bekannt ist. Diese Mustererkennungsfunktion vergleicht transiente Wellenformen mit einer Referenzbibliothek, um Ereignisse wie das Starten oder Stoppen von Pumpen zu klassifizieren. Durch die Identifizierung und Filterung wiederkehrender Betriebsübergänge ermöglicht die Software den Benutzern, sich auf Anomalien zu konzentrieren, die einer Untersuchung bedürfen, und verbessert so die Gesamteffizienz.

Grüne Markierungen kennzeichnen die Geräte, die den Bruch im Juni 2019 erfasst haben und zur automatischen Triangulation seines Standorts verwendet wurden. Der Triangulationsalgorithmus von RADAR bestimmte den Ort des Bruchs auf 150 Meter genau.

Eine schnellere Erkennungsmethode

Mit dem installierten Überwachungssystem verfügt die CCMWA nun in Echtzeit über eine klare und leicht zugängliche Übersicht über die Drucktransientendaten. Vor der Implementierung stützten sich die Betreiber ausschließlich auf SCADA-Druckmessungen, denen jedoch die für die Erkennung von Transienten erforderliche Auflösung fehlte.

Heute ermöglicht das System dem Betreiber, entstehende Leckagen schnell zu erkennen, die früher unbemerkt blieben, schneller auf Netzwerkprobleme zu reagieren und fundierte Entscheidungen für die Instandhaltung der Anlagen und die Kapitalplanung zu treffen. Durch die Kombination von präziser Überwachung und fortschrittlichen Analysen stärkt die CCMWA weiterhin die Zuverlässigkeit ihres Wasserversorgungssystems und reduziert kostspielige Hauptleitungsbrüche.

Eine frühere Version dieses Artikels wurde im Magazin OpFlow der AWWA veröffentlicht.