DE19632332C2 - Verfahren und Vorrichtung für die schrittweise Entfernung von Stäuben und staubförmigen Verschmutzungen aus Rohrleitungen, insbesondere aus Gasrohrleitungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung für die schrittweise Entfernung von Stäuben und staubförmigen Verschmutzungen aus Rohrleitungen, insbesondere aus Gasrohrleitungen. Ihr besonderes Einsatzgebiet sind die Hoch- und Mitteldrucknetze von Gasversorgungsunternehmen, in denen sich große Mengen an Staub befinden, neu bilden bzw. aus vorgelagerten Netzen hineingetragen werden.

Hauptursachen für den Staubanfall in Gasnetzen sind:

• 1. Der bereits vor vielen Jahren vollzogene Übergang vom klassischen feuchten Stadtgas auf trockenes Fern- und Erdgas. In der Folge kam es zu einer starken Austrocknung der über viele Jahrzehnte in den Leitungen abgelagerten Gasbegleitstoffe wie z. B. Teer, Naphthalin, gebundenen Stäuben aber auch von ursprünglich feuchten Korrosionsprodukten. Mit den in dieser Zeit gebildeten Stäuben haben wir es zum großen Teil noch heute in den Gasfort­ leitungs- und Gasverteilungsnetzen zu tun.
• 2. Die nicht völlig zu unterbindende Innenkorrosion der im Werk und auf der Baustelle einer Wasserdruckprobe unterzogenen Stahlrohrleitungen durch solche oxidationsfördernde Gas­ komponenten wie Sauerstoff, Kohlendioxid und Schwefelwasserstoff.
• 3. Das Eindringen von Feststoffen bei der Verlegung und Reparatur von Gasleitungen, insbesondere bei unzureichender Beachtung der Technischen Regeln und fehlender Auf­ sicht.
• 4. Bildung von neuen Stäuben durch den Verschleiß des Rohrleitungsmaterials (insbesondere in Krümmern und Armaturen mit Querschnittsverengungen) bei intensiver Bewegung großer Staubmengen.

Stäube in Gasrohrleitungen, die auf der Rohrsohle liegen bleiben und nicht durch turbulente instationäre Strömungen hochgerissen und mitgenommen werden stellen an sich für die Gasversorgung keine akute Gefahr dar. Die starke Zunahme des Gasabsatzes, insbesondere des Heizgasanteils in den Wintermonaten, der Bau neuer und Ausbau bereits vorhandener Netze führt jedoch dazu, daß sich die Strömungsverhältnisse in vielen Versorgungsleitungen radikal verändern. Große Schwankungen der Strömungsgeschwindigkeiten, Änderungen der Strömungsrichtung und dadurch hervorgerufene turbulente und instationäre Vorgänge im Gasstrom treiben den Staub in den Netzen hin und her, führen zu Störungen an Gasgeräten und Armaturen und damit zu großen wirtschaftlichen Schäden.

Es sind eine Reihe von Verfahren und Vorrichtungen bekannt mit denen Stäube und staub­ förmige Verschmutzungen aus Rohrleitungen, insbesondere Gasrohrleitungen entfernt werden können.

Das Ausblasen der mit Staub verunreinigten Gasrohrleitungen ist sicher das bekannteste und effektivste Verfahren überhaupt. Berechnungen des ausgeprägt instationären Strömungs­ prozesses zeigen, daß während des Ausblasevorgangs in der zu reinigenden Leitung kurzzeitig Geschwindigkeiten erreicht werden, die insbesondere am Ende der Leitung weit über der Schallgeschwindigkeit des Gases liegen.

Die folgenden Abbildungen zeigen den typischen Druck- und Geschwindigkeitsverlauf in einer 5 km langen Hochdruckgasleitung DN 200 in Zeitintervallen von 60 Sekunden während des Ausblaseprozesses. Zum Zeitpunkt t=0 wird die Leitung an der Stelle x=0 geöffnet, der Anfangsüberdruck in der sogenannten Reservoir-Leitung beträgt 15 bar, in der Ausblase­ leitung 0 bar.

Es ist deutlich zu erkennen, daß im ersten Drittel der auszublasenden Rohr­ leitung die erforderliche Mindestgeschwindigkeit für die Staubaufwirblung und den Staubtransport (< 20 m/s) über einen Zeitraum von ca. 120 Sekunden erreicht wird. Das Ausblasen von Gasrohrleitungen wird jedoch aufgrund der damit verbundenen großen Gasverluste und Luftverschmutzung nicht mehr praktiziert.

Ein weiteres Verfahren ist der Einbau von ausreichend dimensionierten Staubfilteranlagen mit einem hohen Abscheidegrad an den neuralgischen Punkten des Netzes. Stäube, die bei definierten Strömungsverhältnissen mit dem Gasstrom durch derartige Anlagen fließen werden zwar nahezu vollständig abgeschieden, eine effektive Reinigung aller Leitungen des Gasnetzes wird damit jedoch nicht erreicht.

Bekannt sind ebenfalls Verfahren, bei denen mit sogenannten Molchen oder Rohrreinigungs­ geräten, die über eine Schleuse in die Leitung eingebracht werden, Ablagerungen an der Rohrinnenwand oder Verschmutzungen durch schabende oder schwingende Bewegung gelöst, vor dem Gerät hergeschoben und beim Vorhandensein eines flüssigen Transportmediums weggeschwemmt werden (DE 41 11 452 A1, DE 35 06 621 A1, FR 26 47 527 A1). Für die Ent­ fernung großer Staubmengen aus Gasrohrleitungen sind derartige Geräte nicht geeignet, weil sie insbesondere in nicht molchbaren Leitungen sehr schnell stecken bleiben und bis zu ihrer auf­ wendigen Entfernung zu einer Unterbrechung der Gasversorgung führen.

In der US 3,056,156 wird ein federnder Pfropfen beschrieben, der innerhalb einer Leitung durch ein Fluid angetrieben wird, wobei der Pfropfen in nur eine Richtung getrieben werden kann und bei ständiger Aufrechterhaltung eines dichten Verschlusses und reibenden Kontaktes mit der Rohrinnenwand seine Querschnittsgröße an den Rohrleitungsdurchmesser anpaßt. Der Pfropfen besteht aus einem körbchenförmigen zylindrischen Körper, an einem Ende offen, am anderen Ende spitz zulaufend geschlossen, einem radial angeordneten Flansch rund um den ganzen Körper am offenen Ende mit einem größeren Durchmesser als der des Körpers, einem Ventilmechanismus am geschlossenen spitzen Ende des Körpers, der aus Lippen, die in den Hohlraum des Körpers hineinragen und einheitlich zum geschlossenen Teil geformt sind, besteht. Besagte Lippen und das geschlossene Ende haben einen Schlitz, der breit genug ist, um den Lippen zu ermöglichen sich umzustülpen und nach außen zu strecken, wenn der Druck des Fluids im Hohlraum eine festgelegte Grenze übersteigt. Die Länge des körbchenförmigen zylindrischen Körpers ist größer als der Durchmesser quer durch den Flansch.

Auch ein derartiger Pfropfen ist für die Entfernung von großen Staubansammlungen in Gasrohrleitungen nicht geeignet, weil

• - der Durchmesser des Pfropfens bereits im unbelasteten Zustand größer ist als der Innen­ durchmesser der zu reinigenden Leitung;
• - die Bewegung eines derartigen Pfropfens in einer Gasrohrleitung mit einem sehr hohen Verschleiß seines gummiartigen federnden Materials verbunden ist;
• - für die Bewegung des fest an der Rohrinnenwand anliegenden Pfropfens örtliche eine Druckdifferenz erforderlich ist, die praktisch nur beim Einsatz inkompressibler Medien, d. h. in Flüssigkeiten, erzielt wird;
• - der Pfropfen sich in einer Rohrleitung nur in eine Richtung bewegen kann;
• - bei Umkehr der Strömungsrichtung den Durchfluß des Fluids blockiert;
• - die am vorderen Ende spitz zulaufende Form des Pfropfens mit dem darin integrierten, nach außen umstülpbaren Ventil denkbar ungeeignet für die Entfernung großer Stauban­ sammlungen in Gasrohrleitungen ist, da ausgehend von seiner Konstruktion und Funktionsweise dieser unter den gegebenen Umständen über Staubansammlungen hinwegkriecht.

Der in den Ansprüchen angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu entwickeln, welche die oben genannten Nachteile beseitigt und in traditionell nicht molchbaren Hoch- und Mitteldruckleitungen die dort vorhandenen großen Staubansammlungen sicher zu einer Staubschleuse oder zu einem dafür geeigneten Staub­ abscheider treibt, wobei, unabhängig von der Strömungsrichtung des Gases und vom Zustand des Gerätes die Gasversorgung in der zu reinigenden Leitung nur in kurzen Intervallen unterbrochen wird.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß unter Betriebsbedingungen ein Reinigungsgerät in die Leitung eingebracht wird, welches sich in seinem Durchmesser der zu reinigenden Leitung anpaßt, sich durch den in Strömungsrichtung bildenden Differenzdruck vorwärts bewegt und dabei die staubförmigen Verschmutzungen vor sich zusammenschiebt, nach Ansammlung einer ausreichend großen Staubmenge stehenbleibt und unter Nutzung des sich aufbauenden Gasdrucks die zu reinigende Gasrohrleitung zeitweilig radial verschließt, nach dem Erreichen eines definierten Überdrucks zwischen der bereits gereinigten und der noch zu reinigenden Seite der Leitung mit Hilfe eines Druckreglers den Verschluß der Leitung über ein Ventil oder eine Klappe über einen großen Querschnitt der Rohrleitung schlagartig freigibt, wobei der dabei eingeleitete Druckausgleich eine hohe örtliche Beschleunigung und Geschwindigkeit des Gasstromes über den gesamten Rohrquerschnitt und damit ein Wegblasen der vor dem Reinigungsgerät befindlichen Staubansammlung bewirkt und damit das dem Ausblasen von Gasrohrleitungen zugrunde liegende effektive Verfahren zur Staubentfernung in einer geschlossenen Leitung, d. h. ohne Gasverluste und Luftverschmutzung, praktiziert wird.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe auch dadurch gelöst, daß bei Umkehr der Strömungs­ richtung in der Gasrohrleitung, das Reinigungsgerät stehenbleibt und über ein in ihm integriertes "tellerartiges Ventil" den Gasfluß auch in dieser Richtung freigibt.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens können

• - sowohl in Betrieb befindliche als auch kurzzeitig außer Betrieb genommene Gasrohr­ leitungen mit dem eigenen Fördermedium von großen Staubansammlungen befreit werden;
• - auf begrenztem Raum in der Leitung die erforderlich hohen Gasgeschwindigkeiten und Turbulenzen für das sichere Abheben und den Transport des Staubes erzielt werden;
• - unter allen Bedingungen, selbst bei längerem Stillstand oder Ausfall des Reinigungsgerätes bzw. einer Umkehr der Strömungsrichtung, die Gasversorgung stets aufrechterhalten werden;
• - auch traditionell nicht molchbare Leitungen gereinigt werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert.

Die Bilder 1-4 zeigen die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens im Längs­ schnitt in einer Gasrohrleitung, die Bilder 5 und 6 - das Prinzip und die Wirkungsweise des "tellerartigen Ventils" zur Freigabe des Gasstromes bei Änderung der Strömungsrichtung in der Gasrohrleitung und das Bild 7 - das Reinigungsgerät bei Ausfall seiner Funktion.

Bild 1 zeigt das Reinigungsgerät in der Gasrohrleitung 1, bestehend aus dem mit Flanschen versehenen Rohrstück 2, der beweglichen Hülse 3, der Stahlfeder 4, dem darüberliegenden Rohr 5 aus verschleißfesten dehnbaren Material (Gummi, Polyurethan o.a.), an seinen Enden auf der Hülse 3 und dem Rohrstück 2 befestigt und mit Reinigungsmanschetten oder -bürsten 6 versehen, dem als bekannt vorausgesetzten Druckregler 7 für die Steuerung der Klappe 8, welche die düsenförmig gestaltete große Öffnung 9 verschließt, unmittelbar vor dem zusammengeschobenen Staub 10 stehend.

Das Reinigungsgerät wird über eine Molchschleuse oder einen Bypass in die Gasrohrleitung 1 eingebracht. Durch den auf die hintere Manschette 6 wirkenden Gasdruck bewegt sich das Gerät zunächst in Strömungsrichtung frei gleitend vorwärts und schiebt mit der vorderen Manschette 6 den auf der Rohrsohle liegenden Staub 10 vor sich her. Nach Ansammlung einer nicht mehr ohne weiteres verschiebbaren Staubmenge bleibt es zunächst stehen, rückt dann aber als Folge des zunehmenden Hinterdrucks p₁ (siehe Bild 2) bei gleichzeitiger Verdichtung der Staubansammlung noch etwas vor und bleibt schließlich endgültig stehen. Über die Manschette 6, die bewegliche Hülse 3, die Spiralfeder 4 und den vorrangig aus verschleißfesten Gummi bestehenden Rohr 5 wird die wachsende Druckkraft dazu genutzt, die Gasrohrleitung 1 an dieser Stelle hermetisch abzudichten. Sobald die im Bild 2 dargestellte Abdichtung erreicht ist, wird die Hülse 3 auf dem Rohrstück 2 verhakt.

Erreicht die sich einstellende Druckdifferenz p₁-p₂ am Reinigungsgerät den im Druckregler 7 eingestellten Sollwert, so öffnet sich schlagartig die Klappe 8 und das Gas strömt mit hoher Geschwindigkeit durch die düsenförmig gestaltete große Öffnung 9 , wirbelt den dort liegenden Staub auf und trägt ihn im Gasstrom fort (Bild 3). Nach dem Druckausgleich schließt der Druckregler 7 die Klappe 8, der Haken zwischen der Hülse 3 und dem Rohrstück 2 wird gelöst und das Gerät kehrt in seinen ursprünglichen Zustand zurück. Nach erneuten Druckaufbau hinter der Reinigungsmanschette 6 wird das Reinigungsgerät, vorausgesetzt, der Staub wurde davor weitgehend entfernt, bis zur nächsten größeren Staubansammlung bewegt (Bild 4). Ist vor dem Gerät noch so viel Staub vorhanden, daß es sich nicht vorwärts bewegen kann, so wird der in den Bildern 1 bis 4 dargestellte Vorgang erneut ablaufen.

In vermaschten Gasnetzen kann sich durch Zu- bzw. Abschaltung von Abnehmern die Strömungsrichtung in einzelnen Leitungsabschnitten ändern. Damit sich das Reinigungsgerät nicht rückwärts bewegt und die Gasversorgung unterbricht, ist die Klappe 8, wie in Bild 5 dargestellt, mit einem "tellerartigen Ventil" 11 versehen, das den Gasfluß in diese Richtung sofort freigibt. Im Bild 6 ist das Reinigungsgerät in der Gasrohrleitung 1 in diesem Zustand dargestellt. Kehrt die Strömung in die ursprüngliche Richtung zurück, so schließt das "tellerartigen Ventil" 11 und der Reinigungsprozeß in der Leitung wird wie oben beschrieben schrittweise fortgesetzt.

In der Gasrohrleitung können auch Zustände eintreten, die zumindest zeitweilig eine Fort­ setzung des Reinigungsprozesses ausschließen (z. B. zu niedriger Gasdruck, zu geringer Gas­ durchsatz u. a.). Im Extremfall kann sogar das Reinigungsgerät selbst ausfallen. Damit auch in diesen Fällen eine Unterbrechung der Gasversorgung ausgeschlossen wird, ist der Druckregler 7 mit batteriegespeisten Drucksensoren und einem Zeitrelais versehen, welches die Klappe 8 öffnet, wenn das Reinigungsgerät eine vorgegebene kritische Zeit stillsteht. Bild 7 zeigt das Reinigungsgerät in der Gasleitung 1 in diesem Betriebszustand.

Die erfindungsgemäße Lösung beschränkt sich nicht nur auf den autarken Betrieb des oben beschriebenen Reinigungsgerätes in einer Gasrohrleitung, sondern schließt die Möglichkeit einer Steuerung und Energieversorgung über entsprechende Kabel, die dem Gerät nach- bzw. gegebenenfalls auch voran geführt werden können, mit ein.

Claims (11)

1. Verfahren für die schrittweise Entfernung von staubartigen Verschmutzungen aus Rohrleitungen, insbesondere aus Gasrohrleitungen, mit folgenden Merkmalen:

• - das Reinigungsgerät wird mittels Gasdruck durch die Rohrleitung (1) bewegt und schiebt dabei die Stäube und staubförmigen Verschmutzungen (10) vorwärts;
• - sobald das Reinigungsgerät durch die Ansammlung der Stäube und staubförmigen Verschmutzungen (10) stehen bleibt, wird durch den sich aufbauenden Gasdruck mit Hilfe einer Dichtung (5) am Reinigungsgerät die Rohrleitung (1) radial abgedichtet;
• - nach Erreichen eines bestimmten Überdruckes wird mit Hilfe eines Druckreglers (7) ein Ventil oder eine Klappe (8) schlagartig über einen großen Querschnitt der Rohrleitung (1) freigegeben, wobei der dabei eingeleitete Druckausgleich eine hohe örtliche Beschleunigung und Geschwindigkeit des Gasstromes über den gesamten Rohrquer­ schnitt und damit ein Wegblasen der vor dem Reinigungsgerät befindlichen Stäube und staubförmigen Verschmutzungen (10) bewirkt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Änderung der Strömungs­ richtung das Reinigungsgerät stehenbleibt und über ein "tellerartiges Ventil" (11) der Gasfluß freigegeben wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Unterbrechung des Reinigungsprozesses über einen definierten Zeitraum bzw. bei einem Ausfall des Reinigungsgerätes selbst über den Druckregler (7) ein Mechanismus in Gang gesetzt wird, welcher die Klappe (8) öffnet und damit den Gasfluß freigibt.

4. Reinigungsvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3 mit folgenden Merkmalen:

• - das Reinigungsgerät weist ein kurzes Rohrstück (2) auf, das an beiden Enden mit Flanschen versehen ist und einen wesentlich kleineren Durchmesser als die Rohr­ leitung (1) besitzt;
• - auf dem Rohrstück (2) sind eine bewegliche Hülse (3) und eine feste Hülse angeordnet, zwischen denen eine entsprechend den in der Rohrleitung (1) auftretenden Druckkräften dimensionierte Feder (4) vorgesehen ist;
• - innerhalb des Rohrstücks (2) befindet sich ein Druckregler (7), welcher in Abhängigkeit vom Druck den Gasdurchlaß durch das Rohrstück (2) und das Ventils oder die Klappe (8) freigibt oder schließt;
• - das Rohrstück (2) umgibt ein Rohrkörper (5), der auf den beiden Hülsen befestigt ist und aus verschleißfesten, dehnbaren Material besteht;
• - an den Enden des Rohrkörpers (5) sind Ringmanschetten oder - bürsten vorgesehen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß mit den vorderen Reinigungs­ manschetten oder Reinigungsbürsten (6) der in der Leitung (1) vorhandene Staub (10) soweit zusammengeschoben wird, bis das Gerät auf Grund des der Bewegung entgegen wirkenden Widerstandes der Staubansammlung (10) stehenbleibt und der auf die hinteren Reinigungsmanschetten/-bürsten (6) wirkende Überdruck die Hülse (3) mit dem darauf befestigten verschleißfesten dehnbaren Rohrkörper (5) bei gleichzeitiger Über­ windung der Federkraft (4) nach vorn schiebt, wobei sich der verschleißfeste dehnbare Rohrkörper (5) aufwölbt und einen dichten radialen Verschluß mit der Rohrleitung (1) bewirkt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckregler (7) mit Hilfe des Ventils oder der Klappe (8)

• - beim Erreichen des eingestellten Sollwertes der Druckdifferenz Δp_max den Gasfluß durch das Rohrstück (2) freigibt;
• - beim Erreichen des Druckausgleiches bzw. des eingestellten Sollwertes der Druck­ differenz Δp_min wieder dicht schließt;
• - im Falle des Ausfalls des Reinigungsgerätes den Gasfluß freigibt und

daß mit Hilfe des im Ventil oder in der Klappe (8) integrierten "tellerartigen Ventils" (11) der Gasfluß auch im Falle einer Umkehr der Strömungsrichtung freigegeben wird.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß durch den Einbau von Drallblechen in die düsenförmige Öffnung (9) im vorderen Teil des kurzen Rohrstückes (2) eine ausreichende Turbulenz und Geschwindigkeit des Gases zur Auf- und Mitnahme des Staubes (10) erreicht wird.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder (4) als Gasfeder ausgebildet ist und daß der Ringraum zwischen dem Rohrstück (2) und dem verschleißfesten dehnbaren Rohrkörper (5) zum Zwecke der Abdichtung unter Druck mit einem Gas gefüllt ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder (4) als Stahlfeder ausgebildet ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Funktionen des Reinigungsgerätes über ein im Gerät integriertes Steuerorgan auf der Basis von Meßwerten oder über entsprechende Verbin­ dungsleitungen für die Energieversorgung, Steuerung und Kontrolle von außerhalb der zu reinigenden Rohrleitung (1) ausgelöst werden.