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In der analytischen Prozessmeßtechnik der Wasser-Dampf-Kesselbranche herrschen verstärkt pH-, Leitwert- und Sauerstoffmesssysteme eine Anwendung. Dabei werden im wesentlichen Kesselspeise-, Kesselinhalts- und Kondensatwässer analytisch überwacht. Der Einsatz erfolgt in der Regel indem jedes einzelne Prozesswasser mit entsprechender Probenvorbereitung, durch Druckminderung, Abkühlung und Schmutzfilterung jeweils einem Messsystem für pH-, Leitwert- oder Sauerstoffmessung zugeführt und der jeweilige Messwert bestimmt wird.
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Eine derartige Multiparameterüberwachung ist beispielsweise in der
GB 2 295 232 A offenbart.
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Die Bewertung der jeweiligen Stoffgröße erfolgt über den angeschlossenen Transmitter, indem jeweils die Kennlinie der angeschlossenen Elektrode hinterlegt ist. Während des kontinuierlichen Messprozesses entstehende Verunreinigungen und Elektrodenalterungen führen zur Veränderung der realen Elektrodenkennlinie und damit zu fehlerhaften Messwerten. Um dieses auszuschließen müssen ständig in Abständen weniger Tage empirisch die Elektroden manuell geprüft und neu mittels Kalibrierlösungen kalibriert werden. Je mehr Prozessflüssigkeiten mit unterschiedlichen Messsystemen überwacht werden müssen, umso höher steigt der manuelle Aufwand zur Prüfung und Kalibrierung aller Elektroden.
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Der Aufwand ist jedoch erforderlich, da die damit gesteuerten analytischen Prozesse des Wasser-Dampf-Kreislaufes entscheidend in ihrer Funktions-, Betriebssicherheit und Wirtschaftlichkeit bestimmt werden.
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Die
GB 2 295 232 A offenbart neben der kontinuierlichen Multiparameter-Überwachung von Flüssigkeiten außerdem ein Sensorreinigungs- und Kalibrie-rungssystem. Die Druckschrift offenbart eine Anordnung und ein Verfahren, bei dem mehrere Messsonden so zusammengefasst sind, dass diese an einer Probe gleichzeitig eine Reihe von Parametern erfassen können. Gemäß der dort offenbarten Lehre ist zur Kalibrierung und Reinigung der Messanordnung eine gesonderte Sprühkopfeinrichtung vorgesehen, mit der die einzelnen Messsonden mit einer Reinigungs- und/oder einer Kalibrierflüssigkeit beaufschlagt werden können. Jeder Sensor kann damit einzeln kalibriert werden. Es werden dort also zusätzliche Reinigungs- und/oder Kalibrierflüssigkeiten benötigt.
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Die
GB 2 219 398 A offenbart eine Kalibrierung und Prüfung von Prozess-Instrumenten. Die Druckschrift lehrt eine Herstellung und Überwachung von speziellen Kalibrierlösungen, die anschließend an Messsysteme überführt werden. Dabei werden Reinstwässer und Reinstanalyten gemischt und kontrolliert.
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Die
US 5 233 860 A offenbart ein Wassermesssystem mit verbesserter Kalibrierung. Die Druckschrift lehrt ein Mehrfachmesssystem, dass für manuelle Messprozesse vorgesehen ist. Sämtliche Sensoren bedürfen dabei einer Behandlung mit Reinigungs- und/oder Kalibrierflüssigkeiten.
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Sollten diese Servicetätigkeiten vernachlässigt werden sind die Folge von Unter- oder Überdosierungen von Inhibitoren, Korrosions- und Ablagerungsgefahren, erhöhte Wasser-, Energie- und Betriebskosten. Dahingehend ist gerade bei einem unbeaufsichtigten 72-Stunden-Betrieb von Dampfkesselanlagen zwingend erforderlich mess- und funktionssichere Online-Messtechnik einsetzen zu können.
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Nachfolgend wird ein verbessertes Verfahren zur Online-Messtechnik beschrieben, indem die oben beschriebenen Nachteile beseitigt werden und eine sichere Prozessmeßtechnik unter wirtschaftlichen Bedingungen realisierbar wird.
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Diese Nachteile können mittels nachfolgender Erfindung beseitigt werden, indem je Stoffart nur eine Messelektrode vorhanden ist, welche einen großen Einsatz- und Messbereich besitzt, und alle relevanten Prozesswässer mittels vorgeschalteter Sperrventile zeitweise und seriell erhält. Weiterhin werden zusätzlich zeitweise und seriell vorhandene Betriebs- oder Prozesswässer, den jeweiligen Messelektroden zugeführt. Dabei zeichnen sich diese Wässer mit der Besonderheit aus, dass sie sich auf die zu bestimmenden Inhaltsstoff nicht oder unwesentlich verändern und somit als Kalibrierflüssigkeit für die jeweilige Messelektrode eingesetzt werden können. Weiterhin kann durch vergleichende Differenzbewertung zwischen den Kalibrier- und Prozessflüssigkeiten die Sensorgüte und die Elektrodenkennlinie neu bestimmt werden. Zu hohe Messabweichungen können in den Einzelmesswerten ausgeblendet und bei zu hoher Messhäufigkeit zur ständigen Veränderung der Messelektrode erkannt werden. In diesem Fall kann gezielt ein Servicealarm zu manuellen Reinigung und Nachkalibrierung der ermittelten Messelektrode ausgelöst werden.
- Nachfolgend wird in 1 das Grundprinzip zur Überwachung und Auswertung einer pH-Messelektrode, welche mit zwei Prozesswässern und einer Kalibrierlösung zeitweise und serielle beströmt wurde. Die Kalibrierlösung ist dabei keine manuell hergestellte Flüssigkeit, sondern eine im Gesamtprozess vorhandene Betriebs- oder Prozessflüssigkeit. In diesem Beispiel wird davon ausgegangen, daß der in der Ausgangskalibrierung ermittelte Nullpunkt stabil bleibt. Diese Möglichkeit der Kalibrierung ist in der Praxis möglich, da der pH-Nullpunkt sich in den Anwendungen des Dampf-Wasser-Kreislaufes als sehr stabil auszeichnet. Unabhängig davon sollte der Nullpunkt manuell über längere Zeiträume nochmals nachgeprüft werden. Alternativ kann auch vollentsalztes Kesselspeisewasser verwendet werden. Eine sinnvolle Kalibrierlösung kann in vielen Fällen das Rohwasser sein, da es im allgemeinen den sich eingestellten pH-Wert nicht oder nur unwesentlich ändert.
- In 2 wird ein weiteres Grundprinzip zur Überwachung und Auswertung einer pH-Messelektrode, welche mit zwei Prozesswässern und zwei Kalibrierlösungen zeitweise und serielle beströmt wurde. Die Kalibrierlösungen sind dabei keine manuell hergestellten Flüssigkeiten, sondern im Gesamtprozess vorhandene Betriebs- oder Prozessflüssigkeiten mit sehr stabilen Eigenschaften für den Messprozess. Durch zwei vorhandene Prozessflüssigkeiten kann die Null-Punkt-Überwachung entfallen.
- In 3 wird ein Beispiel für eine Sauerstoffüberwachung mit automatischer Überwachung und Auswertung dargestellt. Wobei der zweite Kalibrierstoff keine Flüssigkeit sondern Luft ist.
- In 4 wird ein Beispiel für eine Leitwertüberwachung mit automatischer Überwachung und Auswertung dargestellt. Wobei als Kalibriermedien Kesselinhaltswasser und Luft angenommen werden kann.
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Ausführungsbeispiel
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel in 5 für die Überwachung und Steuerung einer Dampfkesselanlage mit salzarmer Betriebsweise dargestellt, welche für die Steuerung der Kesselwasserchemie nachfolgende kontinuierliche Überwachung benötigt:
- (1a) Kesselinhaltswasser: pH-Wert
- (1b) Kesselspeisewasser: pH-Wert; 02-Wert und Leitwert
- (1c) Kondensatwasser: pH-Wert; 02-Wert und Leitwert
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Das vollentsalzten Kesselspeisewasser (1b) wird durch eine vorgeschaltete Revers-Umkehrosmose-Anlagen aus Rohwasser (2b) erzeugt.
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Entsprechend dieser Messaufgabe müssten für die 3 Prozesswässer jeweils 3 pH-Meßgeräte, 2 gelöst Sauerstoffmessgeräte und 2 Leitfähigkeitsgeräte angeschafft, betrieben sowie ständig gewartet und kalibriert werden.
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Die neue Erfindung ermöglicht das diese gleiche Messaufgabe nur jeweils mit einem pH- (5a), 02- (5b) und Leitfähigkeitsmessgerät (5c) gelöst werden kann. Indem diese drei Prozesswässer sowie das vollentsalzte Rohwasser (2a) (Betriebswasser), das Rohwasser (2b) (Betriebswasser) und Luft (2c) Absperrventilen (3) zugeführt werden, welche jeweils automatengesteuert durch Ansteuerung (8) der zentralen Mess- und Steuereinheit (9) geöffnet bzw. geschlossen werden. Die 3 Messsysteme (5a; 5b; und 5c) sind in Reihe geschaltet und werden jeweils von einem Medium, durch zeitweises serielles Umschalten der vorgeschalteten Sperrventile (3), durchströmt. Dabei werden bei allen Messeinrichtungen (5) durch die definierten Medien (1 und 2) spezielle Messsignale (6) ermittelt und der zentralen Mess- und Auswerteeinheit (9) zugeleitet.
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Mit dem zeitweisen Öffnen des vorgeschalteten Sperrventils (3) für das Kesselinhaltswasser (1a) wird das Medium an alle Messelektroden der Messeinrichtungen (5) seriell geleitet, womit der pH-Wert im Kesselinhaltswasser (1a) bestimmt und zu vorgegeben Grenzwerten bewertet wird. Im gleichen Messprozess wird die Sauerstoffelektrode der gelösten Sauerstoffmesseinrichtung (5b) auf den Nullpunkt kalibriert, da Kesselinhaltswasser (1a) keinen gelösten Sauerstoff mehr besitzt. Weiterhin wird der Leitwert des Kesselinhaltswassers (1a) bestimmt, um die an Kesseln vorgeschriebene Absalzung zusätzlich zu kontrollieren und gleichzeitig die aktuelle Eindickung des Kesselinhaltswassers und dessen Wirtschaftlichkeit zu bewerten.
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Mit dem anschließenden zeitweisen Öffnen des vorgeschalteten Sperrventils (3) für Kesselspeisewasser (1b) wird der pH-Wert ermittelt, um die Dosierung von Inhibitoren für Kesselspeisewasser (1b) optimal zu steuern, gleichzeitig wird der Leitwert ermittelt um einerseits die Salzkonzentration in Abhängigkeit des pH-Verlaufes zu überwachen und den zweiten Parameter zur Ermittlung des Eindickfaktors zu bestimmen. Mit der Ermittlung der gelösten Sauerstoffkonzentration kann die Regelung des Brütenventils gesteuert werden, damit gelöster Sauerstoff einerseits aus dem Kesselspeisewasser (1b) entweichen kann und andererseits Dampf- und Energieverluste verhindert werden können, wenn kein Sauerstoff mehr im Kesselspeisewasser vorhanden ist.
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Mit dem nachfolgenden zeitweisen Öffnen des vorgeschalteten Sperrventils (3) für Kondensatwassers (1c) kann der pH-Wert von dampfflüchtigen Inhibitoren im Kondensatwassers (1c) kontrolliert und überwacht werden sowie eventuelle Verunreinigungen im Kondensatwassers (1c) erkannt und bei Bedarf zur Verwerfung gesteuert werden. Mit der gleichzeitigen Ermittlung und Überwachung der gelösten Sauerstoffkonzentration im Kondensatwassers (1c) können erhebliche Korrosionsgefahren vorgebeugt werden.
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Eine nachfolgende zeitweise Öffnung des Sperrventils (3) von vollentsalztem Wasser (2a), kann der Nullpunkt der pH-Elektrode gegen den vorkalibrierten Nullpunkt kontrolliert und unter entsprechender Einschränkung der eingesetzten pH-Elektrode auch kalibriert werden. Weiterhin kann mit nachfolgender zeitweiser Öffnung des Sperrventils (3) für das Rohwasser (2b) der pH-Kalibrierwert zur Kalibrierung der pH-Elektrode in der Messeinrichtung (5a) ermittelt werden und mit dem zeitweise Öffnen eines Sperrventils (3) für Luft (2c) kann eine Belüftung der Messzellen aller Messeinrichtungen (5) erfolgen, womit der obere maximale Messwert der Sauerstoffelektrode überwacht werden kann. Analog kann der Nullpunkt-Wert der eingesetzten Leitfähigkeitselektrode in Messeinrichtung (5c) überwacht werden.
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Mit Vorgabe definierter Toleranzbereiche der Kalibriermedien kann die Meßtoleranz des Gesamtsystems begrenzt und die Funktionsweise jeder Elektrode (5) in jedem Mess- oder Kalibriermedium (1 und 2) überwacht und kontrolliert werden. Weiterhin können fehlerbehaftete Einzelwerte erkannt und durch Trendermittlung ausgeblendet werden. Mit der automatischen Nachkalibrierung von Elektrodenkennlinien werden Gütewerte der Messelektroden (5) überwacht, womit bei Unterschreitung vorgegebener minimaler Elektrodengütewerte gezielt Service- und Wartungsanforderungen von der zentralen Mess- und Steuereinheit (9) ausgelöst werden.
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Damit ist ein komplexes Messsystem geschaffen, welches die wesentlichsten Prozessparameter der Kesselchemie mit geringsten Messelektrodenaufwand in den wesentlichsten Prozessstufen betriebssicher, wartungsarm und wirtschaftlich, überwacht.
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Weiterhin ermöglicht es dem Anwender ständig unter den veränderlichen Kesselbetriebsbedingungen mit geringstem Einsatz von Chemie die Wasser- und Energieverluste so gering, wie möglich zu halten und die Wirtschaftlichkeit sowie den Wirkungsgrad seiner Kesselanlage zu erhöhen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Druckgeminderte, gefilterte und gekühlte Prozessflüssigkeiten
- 1a
- Kesselinhaltswasser
- 1b
- Kesselspeisewasser
- 1c
- Kondensatwasser
- 2
- Betriebsflüssigkeiten und Medien
- 2a
- Vollentsalztes Rohwasser
- 2b
- Rohwasser
- 2c
- Luft
- 3
- Absperrventile der Medien bzw. Flüssigkeiten
- 4
- Sammelleitung der Medien bzw. Flüssigkeiten
- 5
- Messeinrichtungen
- 5a
- pH-Messeinrichtung
- 5b
- gelöst Sauerstoffmesseinrichtung
- 5c
- Leitwertmesseinrichtung
- 6
- elektrische Messsignale
- 6a
- pH-Messsignal
- 6b
- 02-Messsignal
- 6c
- Leitwertsignal
- 7
- druckfreier Abfluss
- 8
- elektrische Steuersignale für Absperrventile
- 9
- Mess-, Steuer- und Auswerteeinheit
- 10
- Mess- und Kommunikationsdaten sowie Stell- und Regelgrößen für den Wasser-Dampf-Prozess
