Armaturenerneuerung im Schieberhaus der Rurtalsperre Schwammenauel

13.05.2011

Die Rurtalsperre Schwammenauel in der Nordeifel, nahe der Stadt Heimbach, zählt mit Ihrem Stauvolumen von 203 Mio. m³ zu einer der größten Talsperren in Deutschland. Nach mehr als 65 Jahren Betrieb mussten die Armaturen am Grundablass der Rurtalsperre ausgetauscht werden. Die vorhandenen Ringventile wurden gegen leistungsstärkere Kegelstrahlschieber ersetzt.

1. Einleitung
Die Rurtalsperre Schwammenauel wurde 1938 mit Ihrer ersten Ausbaustufe in Betrieb genommen. Mit der zweiten Ausbaustufe wurde der Damm auf eine Kronenhöhe von 284,43 müNN ausgebaut. Die maximale Stauhöhe beträgt damit rund 71 m. Die Rurtalsperre ist volumenmäßig der größte Stausee im Talsperrenverbund der Nordeifel und Nordrhein-Westfalens, wie auch als der zweitgrößte Stausee in Deutschland. Hochwasserschutz und Wasserausgleich wird durch den Unterlauf der Talsperre gewährleistet. Die Rohwasserbereitstellung und Erzeugung elektrischer Energie sind die Hauptaufgaben des Obersees. Das aus dem Stausee entnommene Rohwasser wird für die Trinkwasserversorgung des Großraum Aachens benutzt. Im benachbarten Spitzenstromkraftwerk Schwammenauel wird mittels der Wasserkraft über eine Francisturbine mit 9,5 MW installierter Leistung Strom erzeugt.
 
2. Machbarkeitsstudie, Ausschreibung und Vorbereitung
Bauwerk, Rohrleitungen und die Armaturen stammten noch aus der Zeit der ersten Ausbaustufe. Trotz der immer wiederkehrenden Instandhaltungsarbeiten an den eingebauten Armaturen zeigten sich immer mehr altersbedingte Verschleißerscheinungen (Bild 1). Im Rahmen laufender Funktionsprüfungen wurden zudem Bedienungsprobleme durch Schwergängigkeit an den Armaturen festgestellt. Die Folge war, dass der Grundablassbetrieb ab dem Jahr 2002 nicht mehr uneingeschränkt möglich war. Dieser Zustand hat den Betreiber der Talsperre, den Wasserverband Eifel-Rur (WVER) aus Düren veranlasst, im Jahr 2003 eine Machbarkeitsstudie mit Marktanalyse zur Armaturensanierung in Auftrag zu geben. Diese zeigte, dass ein Austausch der alten Armaturen und Antriebe kostengünstiger war, als eine Sanierung der bestehenden Einrichtungen.
Im Rahmen einer öffentlichen Ausschreibung wurde die Firma Heinrich Scheven Anlagen- und Leitungsbau GmbH in Erkrath mit der Ausführung der Stahlwasserbauarbeiten, incl. Lieferung der neuen Armaturen samt Antriebstechnik beauftragt. Die Firma Heinrich Scheven beauftragte Ihrerseits im Oktober 2004 die Firma VAG Armaturen GmbH mit der Herstellung und Lieferung der Armaturen und Formstücke.
Die VAG Armaturen GmbH verfügt über mehr als hundertjährige Erfahrung in der Herstellung von Schwerarmaturen für die Wasserversorgung und produziert seit mehr als 50 Jahren Absperrklappen und Kegelstrahlschieber. Aufgrund Ihrer großen Erfahrungen waren die Techniker und Ingenieure der VAG bereits in der Planungsphase eng in das Projekt eingebunden.
Nach der Auftragsvergabe zur Sanierung der Stahlwasserbaueinrichtungen im Schieberhaus der Rurtalsperre Schwammenauel wurde Mitte Juni 2005 der Einlauf des Grundablassstollens wasserseitig mit einem Rollschütz verschlossen, die Grundablassleitungen entleert und die alten Anlagenteile zurückgebaut. Die eigentlichen Sanierungsarbeiten konnten beginnen.
 
3. Anforderungen
Bei der Auswahl der neuen Armaturen waren vor allem zwei Hauptkriterien zu beachten:
  • Die seit Juni 2004 geltende DIN 19700, die für die Grundablassleitungen eine erhöhte Abgabeleistung von 50 m³ Wasser/Sekunde vorschreibt
  • Die baulichen Gegebenheiten, welche nur bedingt verändert werden konnten, erschwerten den ohnehin schwierigen Einbau der bis zu 23 Tonnen schweren Kegelstrahlschieber und Absperrklappen.
 
4. Verwendete Produkte
Die in der Planungsphase durchgeführten Berechnungen führten zur Auswahl folgender Armaturen und Formstücke:

Die neuen Stahlwasserbaueinrichtungen bestehen aus zwei Grundablassleitungen DN 2000, mit jeweils einem FF-Stück DN 2000, welches als Übergangsstück von den einbetonierten Grundablassleitungen mit nicht genormten Flanschanschlüssen auf genormte DIN-Flanschanschlüsse diente, einer VAG EKN Absperrklappe DN 2000 mit Fallgewichtsantrieb als Rohrbruchsicherung, einem FFR-Stück DN 2000/1800 als Reduzierstück auf die Nennweite der Kegelstrahlschieber, einem Ausbaustück DN 1800 zum Baulängenausgleich, einem Segmentbogen DN 1800 und einem VAG Kegelstrahlschieber DN 1800 mit nachgeschalteter Belüftungseinrichtung im Durchmesser 3200 und einem Strahlführungsrohr im Durchmesser 3600 mm. In der daneben verlaufenden Freileitung vom Durchmesser DN 2300 zum Wasserkraftwerk Schwammenauel wurde eine VAG EKN Absperrklappe DN 2300 mit Fallgewichtsantrieb als Rohrbruchsicherung zusammen mit einem Ausbaustück DN 2300 zwecks Baulängenausgleichs eingebaut. Als Umführungsarmatur zum Befüllen der Kraftwerksleitung DN 2300 wurde ein VAG RIKO Ringkolbenventil DN 250 mit nachgeschalteter Belüftungseinrichtung eingesetzt (Bild 2). Das noch aus der Ursprungszeit vorhandene Be- und Entlüftungsventil DN 900 vom Fabrikat Bopp & Reuther Armaturen (heute VAG Armaturen) funktionierte nach wie vor einwandfrei und ohne Beeinträchtigung, so dass auch aus Kostengründen auf den Austausch verzichtet werden konnte (Bild 3).
 
5. Durchführung
Um den Anforderungen der DIN 19700 gerecht zu werden, wurden die alten Ringventile durch leistungsstärkere VAG Kegelstrahlschieber DN 1800 ersetzt. Damit ihre Funktionssicherheit auch bei großen Differenzdrücken gewährleistet ist, wurden die beiden Kegelstrahlschieber DN 1800 mit einem zusätzlichen Anschlussflansch der Nennweite DN 3200 und Mauerrohren im gleichen Durchmesser hergestellt. Die Mauerrohre dienen als Belüftungseinrichtungen für die Kegelstrahlschieber und haben beiderseitig unter 45° schräg nach oben angeordnete Belüftungsstutzen vom Durchmesser DN 400. An diese Stutzen sind beiderseitig Rohrleitungen der Nennweite DN 400 angeschlossen und durch das Beton-Widerlager der Außenwand hochgeführt, um von außen Luft anzusaugen. Durch den am Dichtsitz des Kegelstrahlschiebers entstehenden Unterdruck wird über die Belüftungsrohre von aussen Luft angesaugt, wodurch das Entstehen von Kavitation verhindert wird (Bild 4).
Die Lieferung der Kegelstrahlschieber erfolgte mit vormontierten Mauerrohren. Die Kegelstrahlschieber waren mittels Kanthölzern in den Mauerrohren gegen Verformungen beim Transport geschützt (Bild 5). Nach erfolgter Montage und Ausrichtung der neuen Betriebseinrichtungen wurden die Mauerrohre samt Belüftungsrohren in der neuen 1,30 m dicken Außenwand des Schieberhauses einbetoniert.
Durch den Mauerflansch DN 3200 können die Kegelstrahlschieber zu Wartungsarbeiten jederzeit wieder aus den einbetonierten Mauerrohren ausgebaut werden. Nach einer Aushärtezeit von rund 4 Wochen wurden die Strahlführungsrohe im Durchmesser 3600 mm im Tosbecken an die Mauerrohre angeflanscht. Die Strahlführungsrohre mussten verwendet werden, um den konisch aus den Kegelstrahlschiebern austretenden Wasserstrahl wieder zu einem gleichmäßigen Strahl zu bündeln, da im Tosbecken keinerlei bautechnische Veränderungen vorgenommen werden durften.
Mit der Leistungssteigerung auf insgesamt 100 m³/sec. stieg natürlich auch die Gefahr, dass das Grundablasssystem bei Volllastabgabe zu Schwingungen angeregt werden könnte. Nach umfangreichen Berechnungen wurden sowohl für die Armaturen, wie auch für die Formstücke die Wandstärken in der Druckstufe PN 25 und die Flansche in der Druckstufe PN 16 dimensioniert.
Der Einbau der 3 VAG EKN Absperrklappen wurde maßgeblich durch den Platzmangel im Schieberhaus beeinflusst. Die Rohrbruchsicherungsklappen mussten als Schweisskonstruktionen in Kurzbaulänge gefertigt werden. Zur Herstellung der Klappenscheiben wurden spezielle Modelleinrichtungen angefertigt, um die Klappenscheiben sehr strömungsgünstig auszuführen.
Um im Rohrbruchfall einen sicheren Notschluss zu gewährleisten, sind spezielle Fallgewichtsantriebe notwendig. Hierzu kommen die so genannten Hubbremsen von VAG zum Einsatz, welche an die beengten Platzverhältnisse angepasst wurden. Im Rohrbruchfall innerhalb des Schieberhauses würden die installierten Schwimmerauslösegeräte das Signal zum Schnellschluß der Absperrklappen abgeben. Die Hydraulikzylinder der Fallgewichtsantriebe in den beiden Grundablässen sind in senkrechter Bauweise nach oben ausgeführt. Die zwei Meter langen Hebelarme für die Fallgewichte mit jeweils 3000 kg wurden in abnehmbarer Ausführung gefertigt (Bild 6). Dies hat gleichzeitig auch den Transport zur Baustelle, das Einbringen ins Bauwerk und letztendlich natürlich auch die Montage für die Fa. Scheven erleichtert.
 
6. Fazit
Mit einer Bauzeit von nur 3 Monaten waren die Stahlwasserbauarbeiten Anfang September 2005 termingerecht und ohne bauliche Verzögerungen abgeschlossen. Die neuen Armaturen, die bereits im Herstellerwerk der VAG Armaturen in Mannheim auf Druck- und Funktion geprüft wurden (Bild 7), konnten dann in einem weiteren Probebetrieb nochmals Ihre einwandfreie Funktion und absolute Dichtheit unter Beweis stellen. Nach dem Fluten der beiden Grundablassleitungen und dem Ziehen des Rollschützes wurden die Armaturen in einem weiteren Probebetrieb auf ein sicheres Schließen gegen den anstehenden Wasserdruck aus dem Stausee überprüft. Neben der Gebrauchstauglichkeit wurde gegenüber den Leistungsberechnungen gleichzeitig auch eine Steigerung der Abgabemengen der neuen VAG Kegelstrahlschieber nachgewiesen (Bild 8).
Aufgrund der guten Zusammenarbeit zwischen dem WVER, der Fa. Heinrich Scheven und der VAG-Armaturen GmbH konnte der Talsperrenbetrieb wie im Bauablaufplan vorgesehen, noch im Spätjahr 2005 wieder voll aufgenommen werden. Der WVER als Bauherr ist nach Abschluss der Baumaßnahme fest davon überzeugt, mit der Wahl des Armaturenfabrikates VAG die richtige Entscheidung getroffen zu haben, um den weiterhin sicheren Betrieb seiner Stauanlage dauerhaft zu gewährleisten.
 
7. Literatur
1 Werksaufnahmen und Erfahrungen der VAG Armaturen GmbH
2 DVGW energie wasser-praxis 12/2005, Autor Dipl. Ing. Richard Gronsfeld
3 WVER-Prospekt Die Rurtalsperre
4 WVER-Presseinformation vom 01.07.2005

Kontakt

Peter Oppinger - (VAG Armaturen GmbH)

68305 Mannheim

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0621/ 749-292106

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