Brennstoff-Monitoring Messungen sind der Schlüssel zum Erreichen von Nachhaltigkeitszielen

Maßnahmen zur Steigerung der Energieeffizienz sind eine kosteneffiziente Möglichkeit für Chemieanlagen, ihren CO₂-Fußabdruck zu reduzieren und ihre Rentabilität zu steigern. Eine effektive Prozessautomatisierung ist für die Erhöhung der Energieeffizienz unerlässlich. Die Überwachung relevanter Variablen ermöglicht messbare Verbesserungen. Die Installation intelligenter Feldgeräte und die Analyse von Daten helfen dem Betriebspersonal bei der Umsetzung von Korrekturmaßnahmen und überarbeiteten Regelungsstrategien. Diese Projekte liefern entscheidende Ergebnisse – ohne große Investitionen.

Ungefähr 30 Prozent des Brennstoffverbrauchs in der Chemieindustrie entfallen auf brennstoffbetriebene Heizanlagen. Die Verbesserung des Brennstoff-Luft-Verhältnisses durch Automatisierung kann den Wirkungsgrad der Verbrennung erhöhen. Allerdings kann es aufgrund der schwankenden Brennstoffzusammensetzung schwierig sein, ein gleichbleibendes Verhältnis aufrechtzuerhalten. Die perfekte Abstimmung des Brenners führt zu einer maximalen Wärmerückgewinnung bei minimalen Emissionen. Die Brenngaszufuhr kann durch Volumenstrom- oder Druckregelung gesteuert werden. Diese Methoden können jedoch für die Gewährleistung der Sicherheit, Brennstoffeffizienz und Umweltverträglichkeit unzureichend sein, sofern das System Schwankungen unterliegt.

Die Überwachung der Verbrennungseffizienz durch Sauerstoffmessung im Rauchgas oder in der Zwischenwand einer brennstoffbetriebenen Heizanlage mit Hilfe von Rosemount-In-Situ-Sauerstoffanalysatoren kann zur Vermeidung hoher O₂-Werte beitragen, die sich negativ auf die thermische Effizienz und die Einhaltung von Umweltvorschriften auswirken können.

Beim Betrieb von Heizanlagen bieten hohe O₂-Werte ein zusätzliches Maß an Sicherheit. Sie beeinträchtigen jedoch die Effizienz und die Einhaltung von Umweltauflagen, was erhöhte NOx-Emissionen und Schwierigkeiten bei der Einhaltung von Genehmigungsauflagen zur Folge hat. Niedrige O₂-Werte erhöhen das Risiko einer unterstöchiometrischen Verbrennung, was in Extremfällen zur Abschaltung der Heizanlage oder zu Schäden führen kann. Unterstöchiometrische Bedingungen können entstehen, wenn sich die Brennstoffzusammensetzung plötzlich zu einem fetteren Gemisch mit höherem Heizwert ändert, das mehr Sauerstoff erfordert. Die Störgrößenaufschaltung kompensiert Änderungen der Brennstoffzusammensetzung, wobei Massedurchflussmessgeräte für präzise Messungen bevorzugt werden. Zwischen den Kohlenwasserstoffen im Gas besteht auf Massebasis eine größere Übereinstimmung der Heizwerte als auf Volumenbasis. Wasserstoff (H₂) bildet die Ausnahme vom relativ konstanten Energiewert. Bezogen auf die Masse hat er einen doppelt so hohen Energiegehalt wie Methan.

Allerdings ist H₂ im Vergleich zu den Kohlenwasserstoffen so leicht, dass er den Gesamtheizwert des Gases auf Energie-/Massebasis nicht wesentlich beeinflusst, was für die Massedurchflussmessung spricht. Selbst wenn Wasserstoff einem Kohlenwasserstoff-Brenngasgemisch beigemischt wird, sind massebasierte Regelungssysteme den Systemen auf Volumenbasis überlegen.

Brennstoffdurchflussmessung

Wenn der Brennstoffdurchfluss in kg pro Stunde gemessen wird, ist es einfacher, einen gleichmäßigen Energiefluss aufrechtzuerhalten. Besonders hilfreich ist dies, wenn das Gasgemisch stark schwankt. Auch die Durchflussregelung wird stabiler und leichter auszugleichen, wenn der stöchiometrische Luftstrom dem Energiegehalt anstatt dem Volumen entspricht. Micro-Motion-Durchflussmessgeräte von Emerson können die Masse beispielsweise direkt messen, wodurch die Schwankungen im Brennstoff-Luft-Verhältnis aufgrund von Änderungen des Brenngasheizwertes reduziert werden. Diese Durchflussmessgeräte sind in vielen Größen erhältlich und verfügen über ein breites Messspannenverhältnis, um unterschiedlichsten Betriebsbedingungen gerecht zu werden. Durch den Einsatz von Massedurchflussmessungen für eine stabilere Brennerregelung können Sie pro Jahr hohe Summen an Brennstoffkosten einsparen, was einem ROI von wenigen Monaten entspricht.

Effizienz von Wärmetauschern

Eine optimale Regelung von Wärmetauschern kann die Energieeffizienz verbessern, allerdings führen Verunreinigungen insbesondere in Prozessen, bei denen sich Ablagerungen an Kühlschlangen und Rohren bilden, oftmals zu einem ineffizienten Betrieb. Die Verunreinigung von Wärmetauschern trägt zu 1 bis 2,5 Prozent der weltweiten CO₂-Emissionen bei. Trotz der Schwere des Problems verlassen sich viele Anlagenbetreiber immer noch auf manuelle Prüfungen und planmäßige Reinigung, da nur wenige Wärmetauscher mit modernen Messgeräten ausgestattet sind.

Um die Verunreinigungen in den Griff zu bekommen und den effizienten Betrieb der Wärmetauscher aufrechtzuerhalten, bedarf es einer Instrumentierung zur Messung von Temperatur, Druck, Durchfluss und Leitfähigkeit. WirelessHART Messumformer können die Ergänzung neuer Geräte vereinfachen und die Kosten senken. Mittels Aufschnall-Messungen muss der Prozess nicht einmal zur Installation für die Durchfluss- und Temperaturmessungen unterbrochen werden. Eine unterstützende Softwareanwendung wird zur Überwachung und Bewertung der Wärmetauscherleistung eingesetzt. Die Daten der Messgeräte und die bekannten Eigenschaften des Prozessmediums (Verdampfungswärme, Dampfanteil am Einlass/Auslass et cetera) ermöglichen die Bereitstellung aussagekräftiger Informationen zur Unterstützung der Wartungsplanung, wodurch Energieverluste und Wartungskosten reduziert werden und sich die Investition innerhalb von nur sechs Monaten rechnet.

Dampfverteilungssysteme

Die Dampferzeugung macht 40-50 Prozent des Energiehaushalts einer Chemieanlage aus und eine Verbesserung der Effizienz kann Nachhaltigkeit und Rentabilität steigern. Bessere Messungen sind erforderlich, um eine Grundlage für die Reduzierung der Verluste bei der Dampfverteilung zu schaffen. Aufgrund der Masseschwankungen in einem Dampfnetz ist die genaue Bewertung jedoch oft schwierig. MultiVariable Vortex-Druchflussmesssysteme oder Annubar-Durchflussmessgeräte können Messunsicherheiten reduzieren. Dort wo es schwierig ist, neue Messpunkte zu ergänzen, kann die Installation von Wireless-Durchflussmessgeräten an strategischen Stellen dazu beitragen, ineffiziente Dampfanwendungen zu identifizieren, so dass bei leistungsschwachen Systemen für einen schnellen ROI umgehend Maßnahmen ergriffen werden können.

Die Überwachung von Korrosion und Erosion in Dampfsystemen ermöglicht eine frühzeitige Erkennung einer Verschlechterung der Anlage, wodurch die Wartungsplanung optimiert und Verluste vermieden werden können. Nicht-intrusive Wireless-Korrosions- und Erosionssensoren sind einfach zu installieren und zu warten und die zugehörige Software liefert Echtzeitdaten über den Zustand der Rohrleitungen.

Kondensatableiter

Die Verbesserung der Wirksamkeit von Kondensatableitern birgt ein großes Potential für Energieeinsparungen. Wenn Kondensatableiter erst einmal ein paar Jahre alt sind, können sie zu einem Problem für die Wartung werden, denn bis zu 30 Prozent der Kondensatableiter sind erfahrungsgemäß in älteren bestehenden Anlagen defekt. Ein defekter Kondensatableiter kann im Laufe eines Jahres Energieverluste im Wert von Tausenden von Euro bedeuten. Mit einem Wireless-Akustikmessumformer, der am Einlassrohr von außen auf die Rohrleitung angebracht wird, können Ultraschall und Temperatur aller Kondensatableiter gemessen und mithilfe eines Algorithmus analysiert werden. Auf Dashboards werden der Zustand aller Kondensatableiter und die geschätzten Energieverluste und Kosten angezeigt. Das Wartungspersonal kann erkennen, bei welchen Kondensatableitern Maßnahmen erforderlich sind, und verhindern, dass kleinere Störungen zu kostspieligen Problemen werden.

Kessel und Dampfproduktion

Die Dampferzeugung macht in der Regel 40 bis 50 Prozent des Energiehaushalts einer Chemieanlage aus. Die Verbesserung der Kesselleistung kann zu erheblichen Kosteneinsparungen führen. Wie bei brennstoffbetriebenen Heizanlagen sind die Verbrennungs- und die Emissionskontrolle wichtig. Zusätzlich weisen Kessel aber noch besondere Anforderungen auf. So wird beispielsweise das Wasser in einem Kessel wieder in den Kreislauf zurückgeführt, um die Effizienz zu erhöhen. Allerdings können sich Verunreinigungen im Wasser ansammeln und auf Flächen im Inneren absetzen, wodurch die Wärmeübertragung reduziert wird. Mit Leitfähigkeits- und pH-Sensoren können das Kondensat und das Zusatzwasser überwacht werden, um mineralische Ablagerungen und Korrosion zu vermeiden. Diese Analysen decken auch Leckagen in den Wärmetauschern auf, wodurch weitere Verunreinigungen in den Kreislauf gelangen.

Bei Kesseln in großen Chemieanlagen wird eine Trommel für die Zirkulation des kochenden Wassers und die Dampfsammlung eingesetzt. Der Füllstand in der Trommel muss unbedingt überwacht werden, um zu verhindern, dass Wasser in die Dampfleitung gelangt. Auch bei einem zu niedrigen Füllstand kommt es zu einer Auslösung, da der Kessel ansonsten trocken laufen könnte. Abweichungen von nur 5 bis 10 cm können zu einer Abschaltung des Kessels führen, was Gefahren birgt.

Jedoch stellt die Aufrechterhaltung des kritischen Füllstands aufgrund von Verwirbelungen und Dichteschwankungen eine Herausforderung dar. Der Rosemount-5300-Füllstandsmessumformer ist ein Radarmessgerät mit geführter Mikrowelle, das dieses Problem lösen kann, da die Radartechnologie unempfindlich gegenüber Dichte-, Temperatur- und Druckschwankungen ist. Er verfügt über eine Selbstdiagnosefunktion zur Auswertung von Änderungen der Dielektrizitätskonstante im Dampfraum, die durch gesättigten Dampf verursacht werden. Dadurch werden Fehler bei der Füllstandsmessung selbst unter Bedingungen mit Verwirbelungen auf 2 Prozent reduziert.

Überwachung von Destillationskolonnen

Destillationskolonnen sind sehr energieintensiv. Zusätzliche Messgeräte und eine bessere Nutzung der installierten Geräte, unterstützt durch ausgeklügelte Analysefunktionen und entsprechende Überwachungsstrategien, können dazu beitragen, häufig auftretende Probleme zu beseitigen und den Gesamtenergieverbrauch zu senken. So können beispielsweise Druckmessumformer mit erweiterten Diagnosefunktionen eine Überflutung der Kolonne und Fehlfunktionen der Böden frühzeitig erkennen. Coriolis-Durchflussmessgeräte messen den Massedurchfluss von Gasen und Flüssigkeiten sowie die Flüssigkeitsdichte direkt, um für eine bessere Produktqualitätskontrolle schnell auf Prozessänderungen zu reagieren.

Multivariable Durchflussmessgeräte liefern Daten, die für vollständig kompensierte Masse- und Energiedurchflussberechnungen benötigt werden, um kritische Prozessparameter besser kontrollieren zu können. Ein Gasanalysator oder Chromatograph für die Feldmontage kann die Zusammensetzungen schnell messen. Die Installation vor Ort senkt die Betriebskosten und liefert gleichzeitig Daten für das geschlossene Regelsystem, verbessert die Qualität, erhöht die Produktrückgewinnung und reduziert den Energieverbrauch.

Fazit

Diese Messlösungen erfordern nur geringe Investitionen. Beispielsweise ist die Ausstattung eines Kondensatableiters mit einem Akustikmessumformer nicht teuer, da durch die WirelessHART-Technologie keine Verkabelung benötigt wird. Die erzielten Verbesserungen zahlen sich jedoch schon nach wenigen Wochen oder Monaten aus. Der Vorteil hierbei ist, dass die Verbesserungen schrittweise vorgenommen werden können und ihre Auswirkungen insgesamt zu Energieeinsparungen, Kostensenkungen und Nachhaltigkeit führen. Anfängliche Erfolge können weitere Aufrüstungen finanzieren, die das nötige Momentum für weitere Erfolge bringen. Wenn jede Woche ein Wärmetauscher und zwei oder drei Kondensatableiter mit Durchflussmessgeräten und akustischen Messgeräten nachgerüstet werden, könnte eine Anlage innerhalb eines Jahres komplett umgestellt werden.