Anlagenbau & Prozesstechnik

Produzieren ohne Unterbrechung

Effiziente Dampfversorgung durch innovative Dampfmessung

23.09.2015 -

Die Versorgungssicherheit von industriellen Prozessanlagen ist maßgebend für eine hohe Anlagenverfügbarkeit und damit für eine wirtschaftliche Produktion. Die eingesetzten  Hilfsstoffe und Hilfsenergien wie Dampf, Druckluft, Gas, Öl, Wasser, Strom, Wärme und Kälte stellen jede für sich unterschiedliche Herausforderungen für die installierte Messtechnik dar.

Die generelle Anforderung heißt jedoch: Die Anlage muss laufen! Aus diesem Anspruch resultieren ganz besondere Herausforderungen für alle Verbrauchs- und Überwachungsmessungen in Hilfskreisläufen. Einen Ausfall in einem Versorgungsstrang oder ein ungewolltes Abstellen der Anlage gilt es in jedem Fall zu vermeiden.

Effiziente Dampfversorgung

Die Kosten für die Dampferzeugung sind mit typisch 30 bis 40 Euro pro Tonne Dampf sehr hoch. Als Konsequenz wurde in den letzten Jahren vermehrt in den Ausbau der Messtechnik in Dampfnetzen investiert, um die Effizienz zu erhöhen. Zu den typischen Hauptmessungen im Kesselhaus kommen nun häufiger Unterverteilungsmessungen bis zu den einzelnen Maschinen und Entnahmestellen zum Einsatz. Im Dampfnetz gilt es den Sattdampf effizient zur jeweiligen Verbrauchsstelle zu transportieren und dort, wie auch auf dem Weg dorthin, den Anfall von Kondensat zu vermeiden. Jeder Tropfen entstehendes Kondensat bedeutet Energieverlust und stellt ein Sicherheitsrisiko durch mögliche Dampfschläge für die Anlage und das Betriebspersonal dar. Um den Sattdampf auch noch an weiter entfernten Entnahmestellen sicherzustellen, wird häufig überhitzter Dampf gefahren, was jedoch die Energiekosten in die Höhe treibt. Es gilt also, überall im Dampfnetz hohe Sattdampfqualität an der jeweiligen Verbrauchsstelle zu steuern.

Die Gründe für schwankende Dampfqualität im Versorgungsnetz sind vielfältig. Mangelhafte Isolation, defekte Kondensatableiter, Druck und Temperaturschwankungen führen im Versorgungsnetz immer wieder zur Kondensation von Dampf und damit zur Bildung von gefährlichem Nassdampf. Hinzu kommt, dass durch Störungen der Kesselregelung Wasser durch Überschäumen in die Dampfleitung gelangen kann. Die Folgen können gravierend sein: geringe Effizienz bei der Energieübertragung, da Nassdampf weniger Energie enthält als Sattdampf; gefährliche und unerwünschte Wasser- bzw. Dampfschläge; starke Korrosion durch mitgerissenes Kesselwasser und der darin gelösten Salze. Für einen optimalen Betrieb des Kreislaufs ist es notwendig, Nassdampf im Dampfversorgungsnetz aufzuspüren bzw. zu vermeiden.

Innovative Dampfmessung

Genau das ermöglicht der Prowirl 200 mit der integrierten Nassdampfmessung. Die neue Funktion basiert auf der Erfahrung und kontinuierlichen Weiterentwicklung der Wirbelzählertechnologie zur Dampfverbrauchsmessung. Bisher konnten alle eingesetzten Durchflussmessverfahren nur den gasförmigen Anteil von Dampf als Verbrauchsmessung in der Rohrleitung ermitteln - der Kondensatanteil ging ungesehen an der Messung vorbei. Über eine zusätzliche Auswertung des Sensorsignals kann der neue Wirbelsensor jetzt die zweite Phase, also den Kondensatfluss im Dampf, „live“ messen. Über den neuen Algorithmus, der dieses Messsignal mit weiteren Prozessdaten wie zum Beispiel Druck, Temperatur usw. verarbeitet, kann der Messumformer die Kondensatmasse sowie die korrigierte Dampfmasse- und Energieströmung als zusätzliche Messgrößen ausgeben. Diese Entwicklung wurde durch eine langjährige Kooperation mit einem Forschungsinstitut für Dampfanlagen möglich, bei der der neue Algorithmus im typischen Betriebsbereich von Dampfanlagen auf Herz und Nieren getestet wurde. Damit ist seine Praxistauglichkeit erprobt und nachgewiesen.

Die neue Funktion zur Nassdampfmessung ist im Flanschgerät des Prowirl F 200 verfügbar. Sie eröffnet zwei neue Anwendungsbereiche zur Optimierung von Dampfnetzen. Erstens die einfache Nassdampferkennung, bei der das echte in der Rohrleitung transportierte Kondensat gemessen wird. Beim Erreichen einer kritischen Sattdampfqualität von < 80 % meldet das Messgerät eine Prozessstörung. Und zweitens die erweiterte Nassdampfmessung, die kontinuierlich über den 4…20mA Stromausgang den aktuellen Kondensatanteil im Dampf ausgibt.

Mit den zusätzlichen Informationen zur Überwachung der Dampferzeugung und der Dampfnetze ist eine zeitnahe Reaktion auf Störungen und unerwünschte Anlagenzustände erstmals möglich. Das Risiko einer Beschädigung der Anlage durch Dampfschläge wird reduziert und die Effizienz der Anlage durch geringeren Energieverlust gesteigert. Die Sattdampfqualität wird parallel zur Verbrauchsmenge (Energiemenge) „live“ gemessen. Das ermöglicht erstmals eine optimierte Fahrweise des Dampfnetzes bis zur jeweiligen Entnahmestelle.

Geräteprüfung ohne Ausbau

Versorgungsnetze müssen 24h am Tag und an 365 Tagen im Jahr sicher funktionieren. Kommt es zum Ausfall von Komponenten im Dampfnetz, droht häufig ein Produktionsstillstand. Alle in Versorgungsleitungen installierten Messgeräte müssen deswegen besonders langzeitstabil und robust sein und kontinuierlich genau messen. Gerade in Abrechnungsmessungen stellt der Nachweis der Qualität der Messergebnisse den Dampfversorger jedoch häufig vor große Probleme. Die Prüfung bzw. Rekalibrierung der Geräte ist ohne Ausbau und einem damit verbundenen Anlagenstillstand meist nicht möglich.

Auch hier bietet der neue Prowirl 200 mit der integrierten Heartbeat Technology und einer detaillierten Prüfung mit einer Prüftiefe > 98% ohne Ausbau völlig neue Möglichkeiten. Heartbeat gewährleistet eine kontinuierliche Gerätefunktionsprüfung ohne Prozessunterbrechung und eine Ausgabe der Diagnosemeldungen gemäß NE107. Dank höchster Diagnosedeckungsgrade beschränkt sich die Wiederholungsprüfungen gewöhnlich auf eine Ordnungs- und Sichtprüfung zur Erkennung systematischer, prozessbedingter Einflüsse. Hierfür können die Ergebnisse der Prüfung vor Ort oder remote mit Hilfe eines Asset Management Tools ausgelesen und dem elektronischen Nachweismanagement zugeleitet werden. Die letzten acht Datensätze werden im SD Flash Memory des Gerätes gespeichert.

Komplettgeräte vermeiden Fehler

Die häufigsten Fehler bei der Dampfmengenmessung resultieren aus einer falschen Geräteauswahl, Dimensionierung, Parametrierung oder einer falschen Zusammenschaltung der einzelnen Komponenten. Hier empfiehlt es sich, Komplettsysteme wie den Prowirl 200 als Komplettmessstrecke einzusetzen. Damit werden alle möglichen Fehler durch eine Optimierung und Vorkonfektionierung der gesamten Dampfmessstrecke entlang der individuellen Messstellendaten vermieden.  Die Ein- und Auslaufstrecken, die richtige Anordnung der Komponenten wie Temperatur- und Druckkompensation und die messstellenspezifische Parametrierung und fachgerechte Verdrahtung werden optimiert. Das vermeidet typische Praxisfehler und sichert eine hochgenaue langzeitstabile Dampfmengen- und Qualitätsmessung.

Effiziente Druckluftmessung

10 Prozent des Stromverbrauchs in der Industrie – das entspricht der Leistung von 75 Kraftwerken – wird zur Erzeugung von Druckluft mit Hilfe von Kompressoren aufgewendet. Ca. 30 Prozent der erzeugten Druckluft verschwinden allerdings durch Leckagen aus dem Leitungsnetz. Damit Druckluftnetze effizient arbeiten, sind Verbräuche exakt zu messen, Leckagen aufzuspüren und möglichst zu beseitigen. Außerdem müssen die Filteranlagen und der Systemdruck überwacht und gesteuert werden. In der heutigen Betriebspraxis werden dazu meist hochgenaue Durchflussmessgeräte wie Coriolis oder thermische High-Endgeräte in den Hauptsträngen eingesetzt. Es stehen mittlerweile sogar Zweileiter-Coriolismessgeräte zur Verfügung (z.B. Promass F 200), die hohe Genauigkeit (Max. Messabweichung < 0,35% v. MW.) mit einer kostengünstigen Zweileiterinstrumentierung kombinieren. Auch hier ist die einfache Überprüfung der Verbrauchsmessung nach ISO 9001-Anforderungen mit der Heartbeat Technology ohne Ausbau möglich.

Die Nebenstränge im Druckluftnetz können dann mit kostengünstigeren Überwachungsgeräten wie z.B. dem t-mass A/B150 ausgestattet werden, um den Gesamtverbrauch den einzelnen Verbrauchern zuzuordnen und eine einfache Leckageüberwachung in den Strängen zu realisieren. Möglich ist dies durch das thermische Messprinzip, das selbst geringste Durchflüsse noch detektiert. Eine kostenaufwendige Druck- und Temperaturkompensation zur genauen Erfassung der Verbräuche ist beim thermischen Massedurchflussmessgerät nicht notwendig.

Nachrüstung mit Clamp On Systemen

In der Vergangenheit wurde bei der Planung von Anlagen gerade bei der Umsetzung der Hilfskreisläufe zur Kostenreduzierung häufig der Rotstift angesetzt. Das führt dazu, dass an vielen Stellen in bestehenden Anlagen die zur Optimierung der Netze notwendigen Messgeräte fehlen. Zur Nachrüstung, aber auch zur einfachen Überprüfung, bieten sich für alle flüssigen Hilfskreisläufe Clamp On Durchfluss-Messsysteme an. Auch bei Druckluft und Gasen können thermische Massedurchflussmessgeräte wie t-mass als Einsteckvariante einfach nachgerüstet werden - je nach Betriebsbedingungen sogar im laufenden Betrieb.

Fazit

Neue Messtechnologien wie die zusätzlichen Nassdampfmessung mit Prowirl 200, die einfache Prüfung ohne Ausbau mit der Heartbeat Technology oder die unkomplizierte Nachrüstung von Messstellen mit Prosonic Flow 93 Clamp On Systemen ermöglichen weitreichende Effizienzsteigerungen in Versorgungsnetzen für Dampf, Druckluft oder Wasserversorgung.

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