Hähnlein, Christian (2008)
Numerische Modellierung zur Betriebsoptimierung von Wasserverteilnetzen.
Technische Universität Darmstadt
Dissertation, Erstveröffentlichung

Kurzbeschreibung (Abstract)

In dieser Arbeit wird ein numerisches Optimierungsmodell zur optimalen Steuerung des Einsatzes und des Schaltzeitpunktes von Pumpen zur Reinwasserverteilung, unter Berücksichtigung des aktuellen hydraulischen Systemzustandes im Verteilnetz, entwickelt. Das Optimierungsmodell wird mit der in dieser Arbeit geschilderten Funktionalität in Matlab implementiert. Das Verteilnetz wird dabei als vereinfachtes "semi-virtuelles" hydraulisches Rohrnetzmodell, dem sogenannten Skelett-Modell, abgebildet. Im Skelett-Modell werden nur diejenigen Rohrnetzelemente berücksichtigt, die für eine näherungsweise hydraulische Simulation des Verteilnetzes erforderlich sind. Hierzu werden einige Knoten im Verteilnetz ausgewählt, an denen der Druck in Echtzeit (online) gemessen wird. Zur Bestimmung der Rohrleitungswiderstände und der Knotenentnahmeströme wird die Singulärwertzerlegung als praktikables Lösungsverfahren vorgeschlagen und angewandt. Die hydraulischen Simulationen bei den Optimierungsrechnungen werden auf Basis des Skelett-Modells mit dem zur Anwendungsreife weiterentwickelten Knoten-Strang-Verfahren durchgeführt. Dabei wird das weiterentwickelte Skelett-Modell in das im Rahmen dieser Arbeit neu entwickelte Optimierungsmodell auf Basis der Diskreten Dynamischen Optimierung eingebunden. Das entwickelte numerische Optimierungsmodell berechnet für jeden beliebigen Systemzustand im Verteilnetz ein optimales Steuerregime aller Pumpen bei geringstem Pumpenergieverbrauch unter Einhaltung aller Nebenbedingungen (z.B. minimale Knotendruckhöhen, minimale Behälterwasserstände). Bei der Modellierung muss stets zwischen Verteilnetzen mit und ohne Hochbehälter unterschieden werden. Das entwickelte numerische Optimierungsmodell wird im Rahmen eines Praxistests in einer ausgewählten Versorgungszone eines großen deutschen Wasserversorgungsunternehmens ohne Hochbehälter getestet. Das Ziel ist hierbei, neben der Verifizierung der Anwendbarkeit des Skelett-Modells als Rohrnetzmodellierungsmethode, das Einsparpotenzial an Pumpenergie durch Anwendung des numerischen Optimierungsmodells gegenüber der in der Praxis verwendeten Steuerungsweise der Pumpen zu berechnen. Als Lösung ergeben sich, im Vergleich zur herkömmlichen Pumpensteuerung und in Abhängigkeit vom untersuchten Betriebszustand, prozentuale Pumpenergieeinsparungen von bis zu 22,3%.

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