Zuverlässigkeit von Rohrleitungssystemen: Fernwärme und Wasser

564 Pages·1999·16.485 MB·German

by  Dr.-Ing. Dietmar Rötsch (auth.)

Dietmar Rotsch
Zuverlassigkeit von Rohrleitungssystemen
Springer
Berlin
Heidelberg
New York
Barcelona
Hongkong
London
Mailand
Paris
Singapur
Tokio
Dietmar Rotsch
Zuverlassigkeit
von Rohrleitungssystemen
Fernwarme und Wasser
Mit 259 Abbildungen
Springer
Dr.-Ing. Dietmar R6tsch
Rehsener StraBe 24
06844 Dessau
http://www.rohrleitungssystem.de
ISBN -13: 978-3-642-643°8-8 e-ISBN -13: 978-3-642-60217-7
DOl: 10.1007/978-3-642-60217-7
Die deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme
Riitsch, Dietmar: Zuverlassigkeit von Rohrleitungssystemen: Fernwarme und Wasser / Dietmar
Rotsch. -Berlin; Heidelberg; New York; Barcelona; Hongkong; London; Mailand; Paris; Singapur;
Tokio: Springer, 1999
(vDI-Buch)
ISBN -13: 978-3-642-64308-8
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© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1999
Softcover reprint of the hardcover 1st edition 1999
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SPIN: 10680721 68/3020 - 5 43 2 1 0 - Gedruckt auf saurefreiem Papier
Vorwort
Mit diesem Buch wird - unter Nutzung der bekanntgewordenen Literatur und der
Ergebnisse eigenstandiger Untersuchungen - der Versuch unternommen, einige
Grundlagen und Methoden zur Charakterisierung und Berechnung der Zuverlas
sigkeit von rohrleitungsgebundenen Versorgungssystemen, wie es die Fernwarme
und Wasserversorgungssysteme sind, zu verrnitteln. Steigende GroBe, Komplexi
tat und Betriebsalter dieser Systeme sowie die zum Teil hohen Anforderungen an
deren Versorgungszuverlassigkeit riicken die Notwendigkeit zuverlassigkeitstech
nischer Analysen immer mehr in den Vordergrund ingenieurmaBiger Betrachtun
gen. Urn die Zuverlassigkeit bzw. Verfiigbarkeit, da es sich bei diesen Systemen
urn reparable Systeme handelt, beurteilen zu konnen, reichen qualitative Uberle
gungen und verbale Beschreibungen nicht mehr aus.
Ziel des Buches ist die systematische Aufbereitung und Beschreibung der Me
thodik und der Verfahren zur ingenieurmaBigen Berechnung der Zuverlassigkeit
von Fernwarme- und Wasserversorgungssystemen aus der Zuverlassigkeit seiner
Elemente unter Beriicksichtigung betrieblicher und technischer Randbedingungen.
Es werden Berechnungsverfahren beschrieben, die sich in der Praxis als leistungs
fahig erwiesen haben. Darunter werden solche Verfahren verstanden, die je nach
Auswahl sowohl hinreichend genaue Ergebnisse liefern, und sornit vertrauens
wiirdig sind, als auch in der Handhabung nicht zu aufwendig sind. Dabei geht es
nicht urn die Entwicklung neuer mathematischer Theorien, sondern vielmehr urn
die Anwendung bereits vorhandener mathematischer ModeUe fUr die Praxis.
Grundsatzlich kann angemerkt werden, daB die in diesem Buch aufgestellten
Losungsansatze zur Berechnung der Zuverlassigkeit ebenso fUr andere rohrlei
tungsgebundene Versorgungssysteme, wie beispielsweise Gasversorgungssyste
me, unter Beriicksichtigung ihrer Spezifik Verwendung finden konnen.
Das vorliegende Buch, welches sinnbildlich in zwei Hauptteile gegliedert ist,
behandelt zum einen den heutigen Stand der Technik, zum anderen aber auch die
in den letzten lahren zum Einsatz gekommene Anlagentechnik in den Versor
gungssystemen. Wahrend in den Kapiteln 2 und 3 erstmalig die gemeinsame Be
schreibung der Fernwarme- und Wasserversorgungssysteme erfolgt, werden in
den sich anschlieBenden Kapiteln 4-8 die Vorgehensweise bei Zuverlassigkeits
untersuchungen solcher rohrleitungsgebundener Versorgungssysteme, die dazu
notwendigen Verfahren und deren Anwendung beschrieben.
In das Buch sind zahlreiche Erfahrungen eingegangen, die ich wahrend meiner
praktischen Tatigkeit und durch die Zusammenarbeit mit FachkoUegen sammeln
konnte. Gleichzeitig soU es ein Nachschlagewerk sein, das dem in der Praxis ste
henden FachkoUegen Hinweise fUr die von ihm zu lOsenden Aufgaben geben soU.
VI Vorwort
Dabei wurde Wert auf die Angabe weiterfiihrender Literatur sowie auf zutreffende
Normen und Regeln gelegt, ohne daB ein Anspruch auf VolIsUindigkeit gegeben
sein kann.
Mit der erlemten ZuverHissigkeitstechnik solI der Leser in die Lage versetzt
werden, selbst ZuverHissigkeitsaufgaben zu analysieren und praxisgerecht zu 10-
sen. Es wird dabei durch die Bearbeitung vieler praktischer Beispiele aus beiden
Versorgungssystemen in die Methodik eingefUhrt und bei der Problemlasung
unterstiitzt. Des weiteren wird als HilfestelIung in diesem Buch ein eigens dafUr
entwickeltes Programm zur Berechnung der Zuverlassigkeit von Versorgungssy
stemen vorgestellt und diskutiert.
Das Buch solI Ingenieure aus Industrie, Betreiber von Femwarme- und Was
serversorgungssystemen, Planer von Ingenieurbiiros, Bauleiter, wissenschaftliche
Institutionen, Beharden sowie Lehrer und Studenten an Bildungseinrichtungen
ansprechen. Als Vorkenntnisse wird kein tiefergehendes mathematisches Wissen
benatigt.
Besonderer Dank gilt meiner Frau fUr das liebevolle Verstandnis und die Hilfe
wahrend dieser Zeit. Dem Springer-Verlag danke ich ebenfalIs fUr die stets ange
nehme Zusammenarbeit.
Mage dieses Buch allen Benutzern bei der Berechnung der Zuverlassigkeit der
zu betrachtenden Systeme ein hilfreicher Begleiter bei der Lasung sein.
Dessau, April 1999 D. Ratsch
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung .............................................................................................. .
2 Fernwarmeversorgungssysteme..................................................... 5
2.1 Allgemeines und Besonderheiten..................................................... 5
2.2 Aufbau und Struktur ........................................................................ 11
2.2.1 Unterteilung ......................................................................... 11
2.2.2 Warmeerzeugung ................................................................. 12
2.2.2.1 Grundsatzliches ...................................................... 12
2.2.2.2 Gegendruck- lEntnahmekondensationsanlagen ....... 13
2.2.2.3 Gasturbinenanlagen ................................................ 16
2.2.2.4 Blockheizkraftwerke............................................... 22
2.2.2.5 Heizwerke............................................................... 25
2.2.3 Druckhaltung........................................................................ 25
2.2.3.1 Grundlagen ............................................................. 25
2.2.3.2 Statische Systeme ................................................... 33
2.2.3.3 Dynarnische Systeme.............................................. 38
2.2.3.4 Statisch-dynarnische Systeme................................. 41
2.2.3.5 Nachgeschaltete Systeme........................................ 44
2.2.4 Rohrleitungssysteme ............... ......................................... .... 45
2.2.4.1 Einteilungen............................................................ 45
2.2.4.2 Verlegeverfahren Freileitung.................................. 52
2.2.4.3 Verlegeverfahren KanaL........................................ 67
2.2.4.4 Verlegeverfahren Mantelrohr ................................. 71
2.2.4.5 Uhrige Verlegeverfahren ........................................ 98
2.2.5 Armaturen ............................................................................ 104
2.2.5.1 Allgemeines............................................................ 104
2.2.5.2 Schieber .................................................................. 106
2.2.5.3 Ventile .................................................................... 108
2.2.5.4 Hahne...................................................................... 109
2.2.5.5 Klappen .................................................................. 110
2.2.5.6 Einsatzweise der Grundbauarten ............................ 113
2.2.5.7 Sonderarmaturen..................................................... 114
2.2.6 Bauwerke...... .................. ... ..... .... ......................... ................ 116
2.2.7 Druckerhohungsstationen..................................................... 118
2.2.8 Beirnischstationen ................................................................ 119
2.2.9 Warmeiibertragerstationen ................................................... 121
VIII Inhaltsverzeichnis
2.2.10 HausanschluBstationen......................................................... 124
2.2.11 Warmespeicher..................................................................... 132
2.2.12 MeBtechnik........................................................................... 134
2.2.13 Schaltungsvarianten ............................................................. 135
2.3 Berechnungsgrundlagen................................................................... 137
2.3.1 Einleitung............................................................................. 137
2.3.2 Temperatur ........................................................................... 137
2.3.3 Druck.................................................................................... 139
2.3.4 Masse-Nolumenstrom......................................................... 140
2.3.5 Gleichzeitigkeitsfaktor ......................................................... 141
2.3.6 Geschwindigkeit und Druckverlust...................................... 142
2.3.7 Optimaler Durchmesser ....................................................... 153
2.3.8 Warmeverluste und Isolierdicken......................................... 156
2.3.9 Statische Berechnung ........................................................... 164
2.3.10 Druckhaltung........................................................................ 166
2.4 Planung und Bau .............................................................................. 174
2.4.1 Einleitung............................................................................. 174
2.4.2 Grundlagenermittlung .......................................................... 176
2.4.3 Vorplanung........................................................................... 176
2.4.4 Entwurfsplanung .................................................................. 181
2.4.5 Genehmigungsplanung......................................................... 183
2.4.6 Ausfiihrungsplanung ............................................................ 184
2.4.7 Vorbereitung der Vergabe.................................................... 189
2.4.8 Mitwirkung bei der Vergabe ................................................ 191
2.4.9 Bautiberwachung.................................................................. 191
2.4.10 Objektbetreuung und Dokumentation .................................. 192
2.5 Betrieb und Instandha1tung ................................................. ............. 192
3 Wasserversorgungssysteme............................................................ 197
3.1 Allgemeines und Besonderheiten..................................................... 197
3.2 Aufbau und Struktur ........................................................................ 207
3.2.1 Unterteilung ......................................................................... 207
3.2.2 Wassergewinnung ................................................................ 208
3.2.3 Wasseraufbereitung.............................................................. 210
3.2.4 Wasserspeicherung............................................................... 214
3.2.5 Druckerhohungs-und Druckminderstationen ...................... 220
3.2.6 Rohrleitungssysteme ............................................................ 223
3.2.6.1 Einteilungen............................................................ 223
3.2.6.2 Verlegeverfahren GuBeisen .................................... 233
3.2.6.3 Verlegeverfahren Stahl........................................... 237
3.2.6.4 Verlegeverfahren Asbestzement............................. 240
3.2.6.5 Verlegeverfahren Spann-und Stahlbeton ............... 243
3.2.6.6 Verlegeverfahren Kunststoff .................................. 245
3.2.6.7 Zubehorteile............................................................ 252
3.2.7 Armaturen ............................................................................ 259
Inhaltsverzeichnis IX
3.2.7.1 Allgemeines............................................................ 259
3.2.7.2 Schieber .................................................................. 263
3.2.7.3 Ventile .................................................................... 265
3.2.7.4 Hahne...................................................................... 266
3.2.7.5 Klappen .................................................................. 267
3.2.7.6 Einsatzweise der Grundbauarten ............................ 271
3.2.7.7 Sonderarmaturen..................................................... 272
3.2.8 Bauwerke und Schachte ....................................................... 278
3.2.9 HausanschluB ....................................................................... 280
3.2.10 MeBtechnik........................................................................... 280
3.3 Berechnungsgrundlagen................................................................... 282
3.3.1 Einleitung............................................................................. 282
3.3.2 Temperatur ........................................................................... 282
3.3.3 Druck und Druckhohe.......................................................... 282
3.3.4 Volumenstrom...................................................................... 283
3.3.5 Gleichzeitigkeitsfaktor ......................................................... 284
3.3.6 Geschwindigkeit und Druckverlust...................................... 284
3.3.7 Optimaler Durchmesser ....................................................... 293
3.3.8 Auskiihlzeiten....................................................................... 295
3.3.9 Statische Berechnung ........................................................... 295
3.3.10 DruckstoBberechnung .......................................................... 296
3.4 Planung und Bau .............................................................................. 300
3.4.1 Einleitung ............................................................................. 300
3.4.2 Grundlagenermittlung .......................................................... 301
3.4.3 Vorplanung........................................................................... 302
3.4.4 Entwurfsplanung .................................................................. 305
3.4.5 Genehmigungsplanung......................................................... 305
3.4.6 Ausfiihrungsplanung ............................................................ 306
3.4.7 Vorbereitung der Vergabe.................................................... 313
3.4.8 Mitwirkung bei der Vergabe ................................................ 314
3.4.9 Bauiiberwachung.................................................................. 315
3.4.10 Objektbetreuung und Dokumentation .................................. 315
3.5 Betrieb und Instandhaltung .............................................................. 315
4 Zuverlassigkeit von Versorgungssystemen................................. 327
5 Theoretische Grundlagen.................................................................. 331
5.1 Definitionen ..................................................................................... 331
5.2 Zuverlassigkeit des Elements technischer Systeme ......................... 338
5.2.1 Das Element im System ....................................................... 338
5.2.2 ZuverlassigkeitskenngroBen und deren Berechnung............ 340
5.2.2.1 Allgemeines............................................................ 340
5.2.2.2 Wahrscheinlichkeits-und statistische Definitionen
grundlegender ZuverlassigkeitskenngroBen ........... 341
X Inhaltsverzeichnis
5.2.2.3 Definition der Momente ......................................... 351
5.2.3 Zuverliissigkeitskenngr6Ben von verwendeten
Verteilungen......................................................................... 353
5.2.3.1 Allgemeines............................................................ 353
5.2.3.2 Exponential-Verteilung .......................................... 354
5.2.3.3 Hyper-Exponential-Verteilung ............................... 356
5.2.3.4 ERLANG-Verteilung.............................................. 356
5.2.3.5 Hyper-ERLANG-Verteilung .................................. 358
5.3 Zuverlassigkeit technischer Systeme ............................................... 358
5.3.1 Erlauterung zum Systembegriff ........................................... 358
5.3.2 Systemautbereitung.............................................................. 359
5.3.3 Zuverlassigkeitslogische Grundstrukturen ........................... 361
5.3.3.1 Einleitung ............................................................... 361
5.3.3.2 Reduzible Zuverlassigkeitsstrukturen..................... 362
5.3.3.3 Irreduzible Zuverlassigkeitsstrukturen ................... 369
6 Modellauswahl und Modelldefinition.............................................. 373
6.1 Allgemeines ..................................................................................... 373
6.2 Mathematische Modelle................................................................... 374
6.3 Auswahl des mathematischen Modells ............................................ 378
6.4 Schaffung von Modellbedingungen ................................................. 380
6.4.1 Femwarmeversorgungssysteme ........................................... 380
6.4.2 Wasserversorgungssysteme.................................................. 384
6.4.3 Gemeinsamkeiten beider Versorgungssysteme........... ......... 385
6.5 MARKOWsches Modell.................................................................. 386
6.5.1 Theorie der MARKOWschen Modelle ................................ 386
6.5.1.1 Homogene MARKOWsche Modelle...................... 386
6.5.1.2 Semi-MARKOWsche Modelle............................... 395
6.5.2 Aufstellung der MARKOWschen Modellgruppen I und II.. 400
6.6 Ergebnisse zur Modellauswahl........................................................ 413
6.7 Algorithmus zur statistischen Autbereitung des Datenmaterials ..... 414
7 Praktische Anwendung ...................................................................... 427
7.1 Handlungsschema ............................................................................ 427
7.2 Statistiken......................................................................................... 427
7.2.1 Allgemeines ......................................................................... 427
7.2.2 Femwarmeversorgungssysteme ........................................... 431
7.2.3 Wasserversorgungssysteme.................................................. 436
7.3 Anwendung der mathematischen Modelle....................................... 438
7.3.1 Autbereitung der Daten........................................................ 438
7.3.2 Gewinnung der Betriebs-und Ausfallraten.......................... 441
7.3.3 Errnittlung der Verfiigbarkeit............................................... 449
7.3.4 Vergleich beider Modellgruppen ......................................... 453