Verfahren zur überwachung und/oder Ortung von Wasserverlusten in einem Wasserrohrleitungsnetz

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur überwachung und/oder Ortung von Wasserverlusten in einem Wasserrohrleitungsnetz mit mehreren Ganglinien, welches insbesondere zum Einsatz in Verteilnetzen der Trinkwasserversorgung geeignet ist.

Durch Rohrbrüche oder undichte Abschnitte in Flüssigkeitsleitungen, insbesondere Wasserleitungen, oder im Bereich der Endverbraucher können erhebliche Verluste auftreten. Da die Rohrleitungen der Wasserversorgungsnetze unterirdisch verlegt sind, können die Leckverluste nicht ohne Weiteres sofort identifiziert werden.

Aus der EP A0009263 sind ein Verfahren zur Leckortung in vermaschten Leitungsnetzen sowie ein dabei verwendbarer Messschacht beschrieben. Dabei werden Kontrollstellen aufgebaut, an denen die Durchfließeigenschaften gleichzeitig und jeweils über eine bestimmte kurze Zeit für das ganze Leitungssystem regelmäßig und gleichzeitig erfasst werden können. An allen Kontrollstellen ist ein eigens dafür vorgesehener Kontrollschacht herzustellen, wobei dadurch die bestehenden Leitungen unterbrochen werden müssen, um Schieber, Messeinrichtungen oder Wasserzähler einsetzen zu können. Eine nachträgliche Ausstattung eines Wasserversorgungssystems mit einer solchen Einrichtung ist somit nicht möglich.

Die DE 19819258 C2 beschreibt ein Verfahren zur Durchführung von Messungen für die Feststellung von Wasserverlusten und die Ortung der Leckstellen in Wasserversorgungssystemen unter Einsatz von Messsonden, die in regelmäßi- gen oder unregelmäßigen Abständen oder ständig eine Messung des Durchflusses, des Druckes und des Fließgeräusches an Messstellen durchführen. Dabei erfolgt die Analyse mittels eines Auswertegerätes auf der Basis eines Null-Verbrauchs und von Daten bezüglich des Wasserdrucks, des Fließgeräu-

sches sowie der Durchflussmenge und der Durchflussrichtung zur Ortung einer Leckstelle. Die Messelemente der dabei verwendeten Messsonde sind in eine hülsenartige Gewindespindel eingesetzt, wobei diese Gewindespindel in eine Anbohrstelle eingedreht oder eindrehbar ist.

Die bekannten Verfahren bzw. Systeme haben die Nachteile, dass Bohrungen oder Schnitte in die Rohrleitungen erforderlich sind, eine Querschnittsverengung an den Einbaustellen auftritt und eine verschleiß- und wartungsfreie Messung nicht oder nur eingeschränkt möglich ist.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung bestand somit darin, ein Verfahren bereitzustellen, das eine effiziente überwachung eines Rohrleitungsnetzes ermöglicht, wobei eine zuverlässige und zeitnahe Detektion von Leckstellen, eine einfache Installation unter Betriebsbedingungen, eine zentrale Auswertung der Da- ten sowie eine nicht invasive Installation an Rohrleitungen unabhängig vom Rohrmaterial ermöglicht.

Die Aufgabe wurde durch ein Verfahren zur überwachung und/oder Ortung von Wasserverlusten in einem Wasserrohrleitungsnetz mit mehreren Ganglinien gelöst, wobei das Verfahren mindestens folgende Schritte umfasst:

- Positionierung von Messeinheiten an ausgewählten Stellen des Rohrleitungsnetzes, wobei eine Messeinheit jeweils aus zwei gleichzeitig als Sender und Empfänger arbeitenden Sensoren besteht, welche entlang der Rohrachse auf der Außenseite, vorzugsweise auf Kämpferhöhe, eines Rohres angebracht sind,

- Messung der Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit im Rohr mit Hilfe des Ultraschallmessverfahrens, wobei ein erster Ultraschallimpuls durch die Flüs- sigkeit in Strömungsrichtung sowie ein zweiter Ultraschallimpuls entgegen der Strömungsrichtung gesendet wird, die Sensoren abwechselnd als Sender und Empfänger arbeiten und die Strömungsgeschwindigkeit aus der Laufzeitdiffe-

renz δt der Schallsignale in Strömungsrichtung und der Schallsignale entgegen der Strömungsrichtung bestimmt wird,

- übertragung der Messdaten an eine Datenbank einer zentralen Rechnerein- heit mit Hilfe eines an die jeweilige Messeinheit angeschlossenen Datenübertragungsmoduls und,

- Auswertung der Messdaten in der zentralen Rechnereinheit, indem die Messdaten der Ganglinien mit dem charakteristischen Nachtminimum ausgewertet werden, wobei die Ganglinien auf die minimal gemessenen Werte hin untersucht werden, die, vorzugsweise fünf, geringsten Werte gemittelt werden und die so identifizierten Wasserbewegungen während der verbrauchsschwachen Nachtstunden auf Leckverluste hinweisen.

Das erfindungsgemäße Messverfahren ist für alle Rohrmaterialien sowie alle Rohrdimensionen tauglich, besitzt eine hohe Messgenauigkeit (V=O, 0025 m/s), zeichnet sich durch eine niedrige Messschwelle von weniger als 1 cm/s und eine hohe Reproduzierbarkeit der Messergebnisse aus, ermöglicht eine einfache Montage, insbesondere ohne Bohrungen oder Schnitte in die Rohrleitun- gen, vermeidet Querschnittsverengungen an den Einbaustellen und gewährleistet eine verschleiß- und wartungsfreie Messung ohne notwendige Zonierung.

Die Sensoren können nebeneinander mit einem Abstand voneinander auf der gleichen Seite des Rohres angeordnet sein oder auf gegenüberliegenden Sei- ten des Rohres versetzt montiert sein.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann insbesondere verwendet werden, um Wasserverluste in einem Trinkwasserrohrleitungsnetz zu überwachen und/oder zu orten. Das Verfahren kann beispielsweise einen Rohrnetzbetreiber bei der überwachung des Verteilnetzes auf Rohrbrüche und sonstige Leckstellen unterstützen. Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens werden in der zentralen Rechnereinheit die Messdaten der Ganglinien mit dem charakteristischen Nachtminimum ausgewertet, wobei die Ganglinien auf die minimal ge-

messenen Werte hin untersucht werden, die, vorzugsweise fünf, geringsten Werte gemittelt werden und die so identifizierten Wasserbewegungen während der verbrauchsschwachen Nachtstunden auf Leckverluste hinweisen. Dabei können insbesondere Aussagen zum Netzzustand und/oder seinen Verände- rungen erfolgen und/oder eine Quantifizierung der Leckagennengen erfolgen, indem die Messdaten der einzelnen Messeinheiten und/oder davon abgeleitete Daten mit in der Vergangenheit aufgenommenen Messdaten verglichen werden.

Die übertragung der Messdaten vom Datenübertragungsmodul der einzelnen Messeinheiten an eine zentrale Rechnereinheit erfolgt vorzugsweise über ein öffentliches Mobilfunknetz, beispielsweise GSM. Das Datenübertragungsmodul ist vorzugsweise ein GSM-Modem mit Antenne. Die Lage einer Leckstelle kann besonders vorteilhaft auf einen Teilbereich des Rohrleitungsnetzes örtlich ein- gegrenzt werden, indem Messdaten benachbarter Messeinheiten gemeinsam ausgewertet werden. Die Messeinheiten sind im Rohrleitungssystem vorzugsweise in einem Abstand von 5 bis 20 Kilometern voneinander angebracht und die Strömungsgeschwindigkeit im Rohr wird permanent gemessen. Dabei wird jede Sekunde ein Messwert gespeichert.

Bei einer vorteilhaften Weiterentwicklung des Verfahrens werden aus den Messdaten der Messeinheiten jeweils der minimal und maximal aufgetretene Flüssigkeitsdurchfluss sowie ein Mittelwert ermittelt. In einer Rechnereinheit an der Messeinheit werden gemäß einer vorteilhaften Ausführungsvariante die Vo- lumenströme berechnet und als komprimierte, mit einem Zeitstempel versehene Datenpakete im SMS-Format an die zentrale Rechnereinheit versandt. Weiterhin können alle Daten-SMS an eine Empfangszentrale geleitet werden oder die zentrale Sammlung und Aufbereitung von Daten und/oder der Abruf von Ereignissen via Internetverbindung erfolgen. Besondere Vorteile ergeben sich aus einer Kombination einer ersten Stufe, umfassend die oben genannte Identifizierung und grobe Ortung eines Flüssigkeitsverlustes im Rohrleitungsnetz, mit einer zweiten Stufe, in welcher eine weitere örtliche Eingrenzung einer Leckage mithilfe einer flächigen Geräuschpegelmessung in dem als potenziellem Leck-

bereich ausgewiesenen Teil des Rohrleitungsnetzes vorgenommen wird. Weiterhin kann in einer dritten Stufe die Einortung der Leckstelle in dem weitestge- hend eingegrenzten Netzbereich mit weiteren Verfahren der Leckortung, vorzugsweise der Korrelation, erfolgen.

Somit kann das erfindungsgemäße Verfahren besonders vorteilhaft in einem dreistufigen Ansatz durchgeführt werden: Die erste Stufe stellt die permanente Verlustüberwachung des Gesamtnetzes durch automatisierte Systeme dar. Hierzu gehören die Behälterauslaufmessungen und eventuell im Verteilnetz installierte Zonenzuflussmessungen. Das derart bestehende Messnetz wird durch die Installation der erfindungsgemäßen Messeinheiten verdichtet. Die so vorgenommene überwachung liefert einen tagesaktuellen überblick über den Netzzustand und eventuell auftretende Veränderungen. Gleichzeitig kann dieses überwachungssystem in Abhängigkeit von der Dichte der Messeinrichtun- gen Aussagen zum Auftreten einzelner Leckagen, zur Leckgröße und -position mit eingeschränkter Genauigkeit liefern. Das Ergebnis dieser ersten Stufe ist die frühzeitige Identifizierung einer Leckage im Verteilnetz und eine grobe Vorortung der Leckstelle auf einzelne Netzbereiche.

Daran kann sich eine zweite Stufe anschließen. In dem als potenziellem Leckbereich ausgewiesenen Teil des Wasserverteil netzes können zur weiteren Eingrenzung der Leckage unterstützende Maßnahmen wie die flächige Geräuschpegelmessung vorgenommen werden. Ergebnis der zweiten Stufe ist eine weitere Eingrenzung der Leckposition.

In einer dritten Stufe erfolgt nun die Einortung der Leckstelle in dem weitestge- hend eingegrenzten Netzbereich mit herkömmlichen Verfahren der Leckortung, wie beispielsweise der Korrelation. Daran schließt sich die Reparatur der Leckage an. Die sequenzielle Abfolge dieser drei Teilschritte liegt unter anderem in den unterschiedlichen Kosten, die ihre Anwendung verursacht bzw. begründet. Die spezifischen Kosten zur Anwendung der drei Verfahren steigen stark an. Durch die weitestgehende Einschränkung der teuren Verfahren auf relevante Netzbereiche kann der betriebliche Aufwand deutlich gesenkt werden. Dane-

ben ist eine signifikante Beschleunigung der Leckidentifikation möglich. Die Durchflussmessung erfolgt im Ultraschallmessverfahren durch Auswertung der Laufzeitdifferenzen zweier entgegengesetzt durch das Medium laufender Ultraschallsignale. Bei der Installation erfolgt die Anbringung der Sensorköpfe im Durchstrahlmodus benachbart auf der Außenseite des Rohres auf Kämpferhöhe. Die Ultraschalldurchflussmessung lässt sich auf allen in der Trinkwasserversorgung verwendeten Rohrmaterialien, wie Grauguss, Duktilguss, Stahl, Kunststoffe (PE, PEh, PEX, PVC) oder Asbestzement, auch bei außen beschichteten oder innen ausgekleideten Rohren einsetzen. Das Verfahren kann bei Leitungsdimensionen mit Außendurchmessern von 90 mm bis 330 mm verwendet werden, aber auch größere Rohrdimensionen können bei Einsatz entsprechend leistungsstarker Sensorköpfe überwacht werden. Das Verfahren ist besonders geeignet, geringe Fließgeschwindigkeiten zuverlässig zu erkennen. Die Messschwelle des Systems liegt bei unter 2 cm/s. Dies ermöglicht eine hochwertige überwachung der Nachtdurchflüsse in ausgewählten Messpositionen im Verteilnetz. Bereits geringe Wasserverlustmengen werden angezeigt. Dies ermöglicht die Detektion von Leckagen bereits frühzeitig nach ihrem Entstehen. Eine deutliche Verkürzung der Lecklaufzeit wird ermöglicht. Vorzugsweise wird bei der Ermittlung der Strömungsgeschwindigkeit einmal je Sekunde ein Messwert gespeichert. Der Durchflussmesser ermittelt daraus in frei einstellbaren Messintervallen jeweils den minimal und maximal aufgetretenen Durchfluss sowie einen Mittelwert. Der Betrieb der Messeinheiten kann auf ca. ein bis zwei Stunden täglich beschränkt werden. Als geeignete Messzeit hat sich der Zeitraum zwischen 02.00 Uhr und 05.00 Uhr erwiesen. Die Datenüber- tragung erfolgt vorzugsweise über das GSM-Netz (Mobilfunk). Die intern errechneten Volumenströme werden in Datenpakete komprimiert und im SMS- Format versandt. Jede SMS enthält bis zu 20 Datenzeilen. Diese sind jeweils mit einem Zeitstempel versehen. Sie enthalten den im eingestellten Messintervall aufgetretenen Minimal- und Maximalwert sowie den Mittelwert. Die Mitte- lungsintervalle sind von einer Minute bis 60 Minuten frei einstellbar. Die Messeinheit lässt sich auch über die Datenfernübertragung parametrieren. Beispielsweise lässt sich über Ferneinstellung das Messintervall verändern. Die Datenübertragung via SMS ist sehr zuverlässig. Die einzelnen SMS werden

vom Provider auch zwischengespeichert, falls die Empfangszentrale durch die Sendungen anderer Einheiten ausgelastet ist. Zur Zeitsynchronisation sendet die Empfangszentrale unabhängig vom übrigen Sendeverkehr an jede Messeinheit täglich eine SMS.

Sämtliche Daten-SMS werden an eine Empfangszentrale geleitet. Alternativ ist die zentrale Sammlung und Aufbereitung von Daten und der Abruf von Ergebnissen via Internetverbindung möglich. In der Empfangszentrale werden die Informationen in einer Datenbank gespeichert. Ein Computerprogramm, wel- ches einen oder mehrere der oben genannten Verfahrensschritte ausführt, ist ebenfalls Gegenstand der Erfindung. Das Computerprogramm ist vorzugsweise auf einem Datenträger gespeichert. Weiterhin ist auch ein Computersystem, auf dem ein erfindungsgemäßes Computerprogramm geladen ist, Gegenstand der Erfindung . Das Computersystem kann dabei die zentrale Rechnereinheit und/oder eine in unmittelbarer Nähe zur Messeinheit befindliche Rechnereinheit sein.

Das Computerprogramm wertet die Daten nach dem oben beschriebenen Verfahren aus und stellt die Ergebnisse graphisch dar. Von Interesse ist dabei ins- besondere die Identifizierung des minimal festgestellten Durchflusses an der Messstelle. Deshalb werden die Datensätze systematisch auf Minimalwerte hin untersucht. Ausreißerwerte werden identifiziert und von der Berechnung ausgeschlossen. Das Computerprogramm ermöglicht die detaillierte Auswertung einzelner Messstellen sowohl anhand der errechneten Nachtminima als auch auf Basis der aufgenommen Ausschnitte der Ganglinien. Diese werden als Kurvenschar der drei Messauswertungen (Maximal- und Minimalwert sowie Mittelwert im Messintervall) dargestellt. Daneben ermöglicht das Programm den Vergleich benachbarter Messeinheiten. Die gleichzeitige Darstellung der Messreihen erlaubt eine schnelle übersicht über die Veränderungen der einzelnen Messposi- tionen gegeneinander. Zusätzlich lassen sich mehrere Messstellen „bilanziell" zusammenfassen. So entsteht eine Zonenüberwachung.

Die Anzahl der erforderlichen Messstellen hängt von der gewünschten Aussagequalität des überwachungssystems, der Netzstruktur, insbesondere dem Vermaschungsgrad und der Verteilung der Rohrdimensionen, sowie der Möglichkeit der Ausbildung von starren Abschieberungen (statische Zonentrennung) ab.

Weitere Vorteile und Einzelheiten des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus dem anhand der Zeichnungen beschriebenen und die Erfindung nicht einschränkenden Ausführungsbeispiel. Dabei zeigt Fig. 1A, B die Installation von zwei Sensoren an der Außenseite eines Rohres.

Gemäß Fig. 1 A, B wird an einer ausgewählten Stelle eines Rohres 2 eines Rohrleitungsnetzes eine Messeinheit 1 positioniert. Dabei besteht eine Messeinheit 1 jeweils aus einem ersten Sensor 3 sowie einem zweiten Sensor 4, welche bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel entlang der Rohrachse nebeneinander beabstandet auf der Außenseite des Rohres 2 angebracht sind. Beide Sensoren arbeiten entweder als Sender oder als Empfänger. Der Durch- fluss des Wassers durch die Rohrleitung 2 wird mit Hilfe des Ultraschallmessverfahrens bestimmt. Dabei werden Ultraschallsignale von dem Sensor 3 ge- maß Fig. 1 A ausgesandt, welche auf der gegenüberliegenden Seite des Rohres reflektiert und von dem zweiten Sensor 4 wieder empfangen werden. Dieser erste Ultraschallimpuls wird in Strömungsrichtung, welche durch den Pfeil angedeutet ist, durch die Flüssigkeit gesendet.

Gemäß Fig. 1 B wird ein zweiter Ultraschallimpuls entgegen der Strömungsrichtung von dem zweiten Sensor 4 abgesendet und nach Reflektion an der gegenüberliegenden Rohrinnenwandung von dem ersten Sensor 3 detektiert. Da das Medium, in dem sich der Ultraschall ausbreitet, fließt, ist die Laufzeit der Schallsignale, die das Medium in Flussrichtung durchlaufen, kürzer als die Laufzeit der Signale, welche es entgegen der Flussrichtung durchlaufen. Der Laufzeitunterschied δt wird gemessen und erlaubt die Bestimmung der mittleren Strömungsgeschwindigkeit auf dem vom Schall durchlaufenen Pfad. Durch eine Profilkorrektur kann das Flächenmittel der Strömungsgeschwindigkeit errechnet

werden, welches zu dem Volumenfluss proportional ist. Der Abstand der Sensoren kann beispielsweise fünf Zentimeter betragen. Optional können minimale und maximale Grenzwerte für den Durchfluss festgelegt werden, bei deren überschreitung bzw. Unterschreitung ein Alarmsignal automatisch generiert wird. Die in einem der Messeinheit zugeordneten Durchflussmessgerät errechneten Volumenströme werden mit Hilfe eines GSM-Moduls an eine zentrale Rechnereinheit übertragen. Den Messeinheiten kann ein Schaltschrank zugeordnet sein, worin sich mindestens das GSM-Modul befindet. Weiterhin kann in diesem Schaltschrank eine SPS-Steuereinheit (Speicherprogrammierbare Steuerung) mit digitalen Ein- und Ausgangsklemmen sowie analoger Eingangsklemme, ein Betriebswahlschalter (ein, aus, Inbetriebnahme), ein Netzteil, ein Durchflussmessgerät, ein Netzanschluss, USV (eine unterbrechungsfreie Stromversorgung) sowie ein Akkupack zur überbrückung spannungsfreier Zeiten untergebracht sein. Als Alternative zum Netzanschluss kann die Energie- Versorgung auch durch ein Solarpanel (Solarmodul, Photovoltaikmodul oder Solargenerator) oder über eine Nachtspeisung durch die Straßenbeleuchtung erfolgen. Bei der letztgenannten Möglichkeit werden Akkus nachts über einen Anschluss an eine Straßenlaterne aufgeladen.

Bezugszeichenliste

1 Messeinheit 2 Rohr

3 erster Sensor

4 zweiter Sensor