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Fachartikel
09. Februar 2021

Städtisches Hochdrucknetz

Druckerhöhung im Gasnetz St. Gallen

Die St. Galler Stadtwerke haben 2020 ihr Mitteldrucknetz auf ein Hochdrucknetz umgestellt. Von der ersten Idee bis zur Fertigstellung vergingen elf Jahre. Das Meisterstück der Druckerhöhung bildet die 350 Meter lange Altstadtbohrung. Neben technischen Hindernissen galt es, eine begründete Abweichung von der SVGW-Richtlinie für Rohrleitungen G2 umzusetzen.
Ulrich Häfliger 

Wie soll das Gasnetz der Stadt St. Gallen in Zukunft aussehen? Mit dieser Frage mussten sich 2009 die St. Galler Stadtwerke (sgsw) vertieft auseinandersetzen. Auslöser war der nahende Auslauf der Konzession für die städtischen Erdgaskugeln. Spätestens 2017 sollten die rund 270 Tonnen schweren und im Durchmesser 18 Meter grossen Behälter vom Netz gehen. Zudem bereitete die Hochdruckeinspeisung von 25 bar (HD2) mitten in die Stadt Sorgen: Künftige Sanierungen der Einspeisung hätten sich nur noch mit grossem administrativem Aufwand umsetzen lassen. Ein weiterer Punkt war der Entscheid des Bundesamts für Energie (BFE) 2007, den Sicherheitsabstand zu Hochdruckleitungen zu vergrössern, was die künftige Erstellung von Neubauten entlang der Hochdruckleitung stark einschränkte. So musste beispielsweise für den Neubau des Kantonsspitals die HD2-Leitung (25 bar) im Jahr 2015 temporär auf 5 bar abgesenkt werden, um einen vernünftigen Bauablauf gewährleisten zu können. Die Kosten für dieses Provisorium beliefen sich auf rund 350'000 Franken.
Aus den erwähnten Gründen entschieden die sgsw, einen Röhrenspeicher und eine Druckreduzieranlage in der Nähe der EGO-Transportleitung ausserhalb des dicht besiedelten Gebiets zu erstellen. 2013 wurden die Bauten in Betrieb genommen. Mit dieser zweiten Einspeisung erfüllten die sgsw nicht nur die Auflagen des Bundes, sondern konnten auch die Versorgungssicherheit für die Stadt St. Gallen erhöhen.
Abklärungen ergaben allerdings, dass nur ein einheitliches Druckniveau auf dem gesamten Stadtgebiet die angestrebte Versorgungssicherheit garantieren könne. Würden beispielsweise alle Transportzuleitungen zur Stadt mit 5 bar (HD1) und das städtische Transportnetz weiterhin mit 1 bar betrieben werden, wäre die Flexibilität im Netz stark beeinträchtigt. So wurde die Idee einer Druckerhöhung auf dem gesamten Transportnetz geboren: Ein flächendeckendes HD1-Netz würde nicht nur eine echte Redundanz schaffen, sondern auch die Kapazität im Netz erhöhen. Zum Zeitpunkt dieser Erkenntnis waren bereits gasgeführte Wärmezentralen für die Fernwärmeversorgung im Gespräch, die genauen Standorte dieser Grosskunden waren jedoch noch nicht bekannt.

Problemfelder

Arbeiten an Gasleitungen mit einem Druck von mehr als 1 bar sind durch das Technische Inspektorat des Schweizerischen Gasfaches (TISG) zu überwachen. Die sgsw nahmen früh mit dem TISG Kontakt auf, um das Vorgehen für die Druckerhöhung zu besprechen. Dank des pragmatischen Ansatzes und der hilfreichen Unterstützung seitens des TISG konnte die Idee einer nachträglichen Druckerhöhung für das städtische Gasnetz in St. Gallen weiterverfolgt werden. Anhand des damals gültigen Merkblattes TISG 012 (1993), das mittlerweile in die Richtlinie für Rohrleitungen G2 (2019) eingearbeitet wurde, erstellten die sgsw ein Konzept, wie die Druckerhöhung umgesetzt werden könnte.
Anschliessend wurde das Amt für Umwelt des Kantons St. Gallen (AFU) eingebunden, das die offizielle Bewilligung für den Bau und Betrieb von HD1-Leitungen erteilt. In diesem Dreiergremium einigten sich die Beteiligten auf einen Ablauf im Bewilligungsverfahren, das unter anderem einen ausführlichen technischen Bericht pro Etappe erforderte. Dieser Bericht musste zuerst durch das TISG bestätigt werden, ehe er an das AFU geschickt werden konnte. Anders als bei Leitungsneubauten, musste keine Baubewilligung über die Gemeinde beim AFU eingereicht werden. Dies erleichterte die Administration erheblich, allerdings brachte das verkürzte Verfahren den internen Ablauf des AFU zu Beginn etwas durcheinander. Denn Gesuche im Bereich Gas müssen normalerweise von zahlreichen Personen geprüft werden und kommen generell eher selten vor. Dies gilt erst recht für Gesuche im verkürzten Verfahren.

Konzept zur Druckerhöhung

Im Konzept zur Druckerhöhung wurden vier Ziele gesetzt:

  • Definition der Vorbereitungsarbeiten, damit die eigentliche Druckerhöhung reibungslos umgesetzt werden kann
  • Erstellung eines groben zeitlichen Ablaufs mit realistischen Etappengrössen
  • grobe Kostenschätzung
  • Definition des Ablaufs der Bewilligungsformalitäten
Acht Etappen

Während der Vorbereitungsarbeiten ging es darum, festzuhalten, welche Daten erhoben werden müssen, um den Sanierungsgrad (Neubau, Einzug oder lokale Sanierung) möglichst genau definieren zu können. Klar war, dass Siphons und Schraubverbindungen gänzlich eliminiert werden mussten. Ein wichtiger Teil der Vorbereitungsarbeiten war die Einteilung des Projekts in Etappen. Hierbei mussten Standorte nahe der Gasleitung gefunden werden, an denen provisorische mobile Druckreglerstationen gesetzt werden konnten. Zudem durften die Etappen nicht zu gross sein, sodass es möglich bleiben würde, die späteren Netzkontrollen bei der Druckprüfung innerhalb eines Tages zu absolvieren. Bei der Einteilung musste auch die Versorgungsicherheit berücksichtigt werden, da die Gaslieferung während der Umsetzung natürlich gewährleistet bleiben musste. Diese Rahmenbedingungen veranlassten die sgsw, das städtische Gasnetz in acht Etappen zu gliedern, wobei die 1. Etappe die östliche Zuleitung von Goldach nach St. Gallen darstellen sollte.

Höhere Kosten als geschätzt

Schwierig war es, Kosten und Umsetzungsdauer für die Druckerhöhung abzuschätzen. Das Alter von Leitungen diente den sgsw als wichtiger Faktor bei der Berechnung: So wurde definiert, dass Leitungsabschnitte, die vor 1970 erstellt worden waren, komplett ersetzt werden mussten. Details wie der Ersatz neuer Flanschverbindungen oder Siphons wurden dabei nicht berücksichtigt. Diese Triage verhalf allerdings noch nicht zu einer aussagekräftigen Kosten- und Terminschätzung. Denn, ob eine Leitung konventionell im offenen Graben erstellt oder ob sie in ein bestehendes Rohr eingezogen wird, hat grosse Auswirkungen auf die Kosten.
Positive Auswirkungen hatte die Druckerhöhung auf die Dimensionierung der Leitungen. Diese konnten durch den Druckanstieg kleiner dimensioniert werden. Dadurch war es häufiger möglich, mit Einzügen zu arbeiten. Einzüge haben hingegen den Nachteil, dass der Leitungsabschnitt für mehrere Tage komplett vom Netz genommen werden muss, was z. T. Versorgungsunterbrüche für die Kunden bedeutet.
Im Nachhinein erwiesen sich die Kostenschätzung als zu optimistisch, denn die definitiven Kosten fielen weit höher aus.

Plangenehmigung, Objektprüfung und Betriebsbewilligung

Wichtig für alle Beteiligten war es, den genauen Ablauf des Projekts zu kennen. In der Konzeptphase wurde mit dem AFU und dem TISG ein Vorschlag erarbeitet, wie ein solcher Ablauf aussehen könnte. Da Druckerhöhungen auf Stadtgebiet bei rund 38 Kilometer Leitungslänge nichts Alltägliches sind, mussten praktikable Lösungen gesucht werden. So einigten sich alle Beteiligten auf eine mehrstufige Druckerhöhung mit jeweiliger Netz- und Hausreglerkontrolle. Eine Druckerhöhung wie bei einer neuen Leitung wäre nicht umsetzbar gewesen. Selbstverständlich wurden die drei Bewilligungsverfahren – Plangenehmigung, Objektprüfung und Betriebsbewilligung – vorschriftsgemäss durchgeführt.

Sicherheitsbeurteilung

Für die Plangenehmigung wurde pro Etappe ein technischer Bericht erstellt. In diesem wurden alle bekannten Daten erhoben gemäss SVGW-Merkblatt 012. Auch hier waren die sgsw auf pragmatische Lösungen des TISG angewiesen. Denn es war nicht die grösste Herausforderung, zu wissen, wo sich welches Leitungsmaterial im Boden befindet, sondern in welchem Zustand es ist. Ein umfangreicher Teil im technischen Bericht stellten die Sicherheitsbeurteilungen dar. Alle Gebäude wurden für die Sicherheitsbeurteilung gemäss G1001 «Empfehlung für die Sicherheitsbeurteilung von Erdgasleitungen mit Betriebsdruck 1 bis 5 bar» taxiert, besichtigt und tabellarisch nach einer Vorlage des TISG erfasst. Mithilfe eines Ampelsystems in der Erfassungstabelle wurden die heiklen Rohrabschnitte rot hervorgehoben. Diese wurden anhand der Massnahmentabelle G1001, Formular 3a oder 3b, abgearbeitet.

Sanierung

Eine Druckerhöhung ist nicht von heute auf morgen zu bewerkstelligen, dessen waren sich die sgsw stets bewusst. Dank der Einteilung in Etappen konnten zumindest die Jahrestranchen definiert werden. In den Wintermonaten wurden die Bautätigkeiten definiert, um im Zeitfenster Offa bis Olma (zwischen der Frühlings- und der Herbstmesse in St. Gallen) am Gastransportnetz arbeiten zu können. In kälteren Jahreszeiten war es schlicht undenkbar, der Kundschaft den Gashahn zuzudrehen.
Als Erstes wurde geklärt, in welchem Umfang ein Abschnitt saniert werden konnte. Mehrheitlich konnte mit lokalen Sanierungen die Leitung für einen Druck von 5 bar ausgelegt werden. Die Sanierungsknoten wurden in einem Plan festgehalten. Als Nächstes wurde bestimmt, auf welchen Abschnitten die Leitungen gasfrei gemacht werden konnten, um mehrere Sanierungen gleichzeitig vorzunehmen. Ziel war es immer, die Kundinnen und Kunden so wenig wie möglich mit Unterbrüchen einzuschränken.
Sobald der Sanierungsumfang definiert war, organisierten die sgsw zu Koordinationszwecken eine erste Besprechung mit allen Beteiligten. An den Besprechungen nahmen jeweils die Monteure, das Team des Gasverkaufs, die Ressortleiter von Installation und Betrieb sowie der Abteilungsleiter Netzbetrieb teil. Ziel war, zu bestimmen, wann und wie lange der entsprechende Netzabschnitt ausfallen würde, um im Anschluss Polizei und Verkehrsbetriebe zu informieren. In einigen Fällen resultierten aus diesen Besprechungen Anpassungen für die Sanierung.
Die einzelnen Schritte der Druckabsenkung und der Bauarbeiten wurden in einem Arbeitsblatt exakt definiert. So wussten alle Beteiligten, was wann zu tun ist und wie die Druckabsenkung im Detail ablaufen würde. Bei einer Druckabsenkung ist die Kommunikation zwischen den Beteiligten sehr wichtig. Da die einzelnen Einsatzstandorte zum Teil weit auseinanderlagen, wurde per Funk oder Handy bekannt gegeben, wann der Soll-Druck erreicht war. Bei diesem Schritt gab der Anlagemonteur das Netz für die Rohrnetzmonteure frei. Umgekehrt war es, wenn die Arbeiten am Netz abgeschlossen waren. Dann wurde das Netz vom Rohrnetzmonteur freigegeben, um den Betriebsdruck wieder hochfahren zu können.

Druckerhöhung

Vor der eigentlichen Druckerhöhung erfolgte eine detaillierte Absprache mit dem TISG. Die mehrstufige Druckerhöhung mit Abschreiten des Leitungstrassees dauerte in der Regel eine Woche. In dieser Zeitspanne durfte es nicht regnen, da sonst die Netzkontrolle nicht durchgeführt werden konnte. Ein formelles Gesuch für die Druckerhöhung wurde keines benötigt. Für die Durchführung wurden Anlagemonteure des Betriebs für die Versorgungsregler, Anlagemonteure der Installation für die Kundenregler sowie ein externer Spezialist für die Netzkontrolle aufgeboten. Der Ablauf wurde vom TISG als Kontrollorgan und vom Projektverantwortlichen unterstützt.
Pro Etappe wurde in der Regel in einem ersten Schritt der Druck auf 2 bar erhöht. Nach etwa zwei Stunden wurde das gesamte Netz abgeschritten und auf Leckagen untersucht. Gleichzeitig wurden alle Versorgungs- und Kundenregler unter die Lupe genommen. Am nächsten Tag wurde der Druck auf 3 bar eingestellt und alle Kontrollen wiederholt. Am dritten Tag wurde derselbe Prozess mit einem Druck von 4 bar und am fünften Tag mit 5 bar durchgeführt. Am sechsten Tag entspannten die sgsw das Netz auf 1 bar und kontrollierten es. Am letzten Tag wurde der Druck nochmals auf 5 bar erhöht und ein letztes Mal kontrolliert. Waren keine Leckagen aufgetreten, schrieb das TISG einen entsprechenden Bericht zuhanden des AFU. Mit diesem Druckprüfungsprotokoll stellte das AFU die Betriebsbewilligung aus. Die Druckerhöhung für diese entsprechende Etappe war somit formell abgeschlossen. Nach bestandener Druckprüfung wurden die GIS-Daten angepasst und der höhere Druck im Erdgasnetz intern kommuniziert – eine wichtige Massnahme für den Bereitschaftsdienst.

Etappenschnittstellen

Zu Beginn war geplant, zuerst auf allen Etappen sämtliche Sanierungsarbeiten zu erledigen und im Anschluss die Druckerhöhung rasch umzusetzen. Auf diese Weise hätten die provisorischen Druckregler nur wenige Wochen am selben Ort gestanden. Für diese Stellplätze wären lediglich vereinfachte Baubewilligungsverfahren einzureichen gewesen. Zwei Argumente waren jedoch ausschlaggebend dafür, nach einer anderen Lösung zu suchen. Einerseits hatten die bisher gemachten Erfahrungen gezeigt, dass Leckagen häufig dort auftreten, wo man es nicht vermutet. Zum anderen wäre es eine logistische Herausforderung gewesen, über mehrere Wochen so viel Personal zu binden, um die Druckerhöhung durchführen zu können. Die sgsw entschlossen sich deshalb, die Etappen von der Peripherie her (5-bar-Knotenpunkt) ins Zentrum abzuarbeiten. Den ersten mobilen 5-bar-Regler installierten die sgsw beim Übergang zur nächsten Etappe. So konnte eine Etappe bearbeitet und die nächste weiterhin mit einem Druck von 1 bar betrieben werden. Für die nächste Etappe wurde der zweite mobile Regler an der folgenden Etappengrenze installiert. Am Ende konnten die sgsw mit zwei mobilen Reglern die gesamte Druckerhöhung bewerkstelligen.

Altstadtbohrung

Auf der letzten Etappe, jener im Stadtzentrum, wartete die grösste Herausforderung. Ursprünglich war geplant, ein Polyethylenrohr (PE) 355/290 in ein Stahlrohr von 500 bis 600 Millimeter einzuziehen. Dies stellte sich in der Realität aber als unmöglich heraus. Wegen einer Fussgängerunterführung musste die Gasleitung in den späten 1980er-Jahren lokal weichen. Nur mithilfe von Etagen und sehr knappen Überdeckungen gelang es damals, ein Leitungstrassee zu finden. Ein Einzug unter solchen Bedingungen kam nicht mehr infrage. Ebenso wenig wären die geringen Überdeckungen bei einer zukünftigen 5-bar-Leitung akzeptiert worden. Ein Spülbohrverfahren drängte sich auf. Detailabklärungen von Spezialisten zeigten, dass die optimale Bohrlänge bei rund 350 Meter liegen würde. Somit würden alle Hindernisse elegant unterbohrt werden können.

Planung

In einem ersten Entwurf sollte die Linienführung der neuen Leitung im Strassen­trassee bleiben. Die Minimalradien liessen dies aber nicht zu, sodass im Grundriss ein Geschäftshaus und eine Personenunterführung unterbohrt wurden. Im Bereich der Personenunterführung planten die sgsw deshalb eine Bohrtiefe von rund 30 Metern, um den Bohrpfählen ausweichen zu können. Da von Anfang an eine sehr hohe Versorgungs- und Betriebssicherheit angestrebt wurde, beschlossen die sgsw, das Mediumrohr in einem Schutzrohr zu führen. Zusätzlich planten sie Riechrohre und Schieber am Anfang und am Ende der Bohrung. Mithilfe von Riechrohren kann jederzeit im Zwischenraum von Medium- und Schutzrohr Gas detektiert werden.
Mit diesem Konzept wurden die sgsw beim TISG vorstellig. In einer ersten Stellungnahme attestierte das Inspektorat dem Vorhaben gute Chancen für eine Bewilligung, da es auf lange Sicht die Sicherheitsanforderungen erfüllen würde. In diesem Konzept enthalten sind Riechrohre an den Enden der Bohrung, um jederzeit den Ringraum zwischen Mediumrohr und Schutzrohr zu prüfen, eine Druckprüfung des Schutz- und Mediumrohres, eine Gewährleistung, dass das Schutzrohr erneut druckgeprüft werden kann, und Schieber an den Enden der Bohrung.
Einzig die Unterquerung der Gebäude wurde kritisiert. Das TISG wollte und konnte das Überbauungsverbot, das in der G2 (2010) unter 6.6.2 festgeschrieben war, nicht umgehen. Nach mehreren Gesprächen kristallisierte sich heraus, dass die geplanten Massnahmen eine Abweichung von der Richtlinie rechtfertigen würden. Der letztendliche Entscheid hatte sogar Auswirkungen auf die neue G2 (2019). So wurde in dieser das Wort «Verbot» gestrichen.

Ausführung

Vorausgesetzt, die Pilotbohrung erreicht ihr Ziel, stellt eine 350 Meter lange Bohrung mit einem Räumungsdurchmesser von 600 Millimeter für ein Stahlschutzrohr von 400 Millimeter kein Problem dar. Die Herausforderung dieser Bohrung lag jedoch bei der Ortung des Bohrkopfes in dichtem Siedlungsgebiet. Grosse unterirdische Bauwerke erschwerten es der Bohrfirma, seine exakte Lage zu bestimmen. Noch 50 Meter vor dem Auftauchen in der Zielgrube schätzten die Spezialisten seine genaue Lage auf etwa 2 Meter ausserhalb der Bohrachse. Glücklicherweise betrug die Abweichung am Ende nur 50 Zentimeter.
Um die Reibung beim Einzug des Schutzrohrs tief zu halten, mussten die Spezialisten dieses mit Wasser füllen. Dadurch sollte der Auftrieb des Schutzrohrs verhindert werden. Das Wasser musste mit einem langen Schlauch, der ins Rohr geschoben wurde, nach und nach eingefüllt werden. Hätten die Spezialisten die Leitung vorgängig komplett mit Wasser gefüllt, wäre sie zu schwer geworden für das Anheben beim Einzug. Nach dem Einzug befüllten die Spezialisten das Schutzrohr komplett mit Wasser für eine Druckprüfung mit 5 bar. Mittels Pumpe, die ins Rohr eingeführt wurde, konnte das Wasser wieder aus der Leitung geholt werden. Dies gelang zunächst nicht wunschgemäss, sodass Wasser an der tiefsten Stelle liegen blieb.
Für den Einzug des Mediumrohres spielte dies allerdings keine Rolle. Dieses konnte ohne Ballast eingezogen werden. Die Leitung wurde anschliessend ordnungsgemäss auf 7,5 bar geprüft. Danach konnte sie ins Netz eingebunden werden. Die Enden des Schutzrohrs wurden mit einem speziellen Spannring zum Mediumrohr hin abgedichtet. Dies war eine Vorgabe des TISG, um die Sicherheit noch weiter zu erhöhen. Für den Fall, dass ein Leck im Mediumrohr auftreten würde, könnte das Schutzrohr die 5 bar aufnehmen, ohne dass Gas an den Enden entweichen würde. Eine solche Abdichtung an den Enden lässt zudem eine spätere Druckprüfung des Schutzrohres über die Stand­rohre zu.
Das verbliebene Restwasser zwischen Schutz- und Mediumrohr bereitete noch etwas Kopfzerbrechen. Zum einen war keine durchgehende Verbindung (Druckausgleich) vorhanden, zum andern wären später aufgrund des Verfaulungsprozesses vermutlich Gase entstanden. Aus diesen Gründen entschlossen sich die sgsw, den Zwischenraum auszutrocknen. Dieser Prozess dauerte drei Monate.
Heute kann das Riechrohr bei der jährlichen Netzkontrolle geöffnet und die Gaskonzentration gemessen werden. Für den Fall, dass Gas festgestellt werden sollte, können die Schieber vor und nach der Bohrung geschlossen werden, um die Ursache für den Gasaustritt herauszufinden.

FAZIT

Was 2009 mit ersten Ideen und Gedanken begann, konnte elf Jahre später vollendet werden. Es mussten etliche Hürden überwunden und zahlreiche Gespräche geführt werden, um ans Ziel zu gelangen. Rückblickend wurde von allen Beteiligten eine grosse Leistung erbracht, die sie mit Stolz als komplexe und interessante Erfahrung verbuchen können.

Dank

Neben allen, die am Projekt mitgearbeitet haben, gebührt insbesondere Urs Bühler, Projektleiter Rohrnetzprojektierung bei den sgsw, ein spezieller Dank. Mit viel Herzblut und Engagement hat er als Hauptverantwortlicher einen grossen Beitrag zur erfolgreichen Umsetzung der Druckerhöhung geleistet. Es gelang ihm alle internen Fachkräfte für das grosse gemeinsame Ziel der städtischen Druckerhöhung in St.Gallen zu bündeln.

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