DE3011958C2

DE3011958C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Ermitteln von Kühlwasserleckagen für große CO-Mengen enthaltende Einrichtungen

Info

Publication number: DE3011958C2
Application number: DE3011958A
Authority: DE
Inventors: Tadaaki Iwamura; Toshio Chiba Tamiya
Original assignee: Kawasaki Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 1979-04-02
Filing date: 1980-03-27
Publication date: 1982-08-26
Also published as: DE3011958A1; JPS602610B2; US4319479A; JPS55131739A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ermitteln von Kühlwasserleckagen für große CO-Mengen enthaltende Einrichtungen, bei welchen im Kühlwasser enthaltene CO-Anteile überprüft werden.

Zur Ermittlung von Kühlwasserleckagen an Einrichtungen der vorstehend genannten Gattung 1st es bereits bekannt, das ausgetragene Kühlwasser .auf Anteile an CO-Gas zu untersuchen. Diese Untersuchungen erfolgen mit dem bloßen Auge oder auch durch Auffangen in einem Behälter.

Dieser Stand der Technik ist Insofern nachteilig, als mit dem bloßen Auge lediglich In Blasenform vorliegendes gasförmiges Kohlenmonoxid ermittelt werden kann. Mithin gestattet das bekannte Verfahren nicht das Erkennen von Feinleckagen, bei welchen die Im Kühlwasser vorliegenden CO-Mengen unterhalb der Sättigungsgrenze liegen, so daß noch keine CO-Bläschen Im Kühlwasser feststellbar sind. Zu demjenigen Zeltpunkt jedoch, zu welchem das bekannte Verfahren das Erkennen von CO-Bläschen gestattet, sind bereits so große Kohlenmonoxld-Mengen In das Kühlwasser eingetreten, daß mit ernsthaften Schäden gerechnet werden muß. Folglich liegt ein besonderer Nachteil des bekannten Verfahrens darin, daß eine Früherkennung von Kühlwasserleckagen nicht möglich 1st. Ferner Ist es bei der bekannten Bewertung mit dem bloßen Auge nicht möglich, eine Automatisierung des Überprüfungsvorganges in Angriff zu nehmen.

Aus der US-PS 41 03 536 ist ein Verfahren zum Ermitteln von Leckagen in Wärmetauschern bekannt, bei welchem kontinuierlich Kühlwasserproben aus dem Kühlwasserkreis entnommen und die Im Kühlwasser enthaltenen Flüssigkeiten bzw. Gase vom Kühlwasser abgetrennt und analysiert werden.

Der Erfindung Hegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der Im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung so auszubilden, daß Früherkennungen von Kühlwasserleckagen ermöglicht werden. Ferner gehört zur der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe das Schaffen einer geeigneten Vorrichtung zur Verfahrensdurchführung.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens durch die im Anspruch 1 ίο angegebene Erfindung und hinsichtlich der Vorrichtung durch die im Anspruch 2 angegebene Erfindung gelöst.

Der mit Hilfe der Erfindung erzlelbare tecnnlsche Fortschritt ist in erster Linie darin zu sehen, daß selbst geringfügige, im gelösten Zustand Im Kühlwasser vorllegende Kohlenmonoxldantelle mit Sicherheit festgestellt und somit .beginnende Leckagen äußerst frühzeitig erkannt werden können. So sei beispielsweise darauf hingewiesen, daß das Auftreten von Rissen Im Kühlsystem bereits etwa 60 Stunden vor demjenigen Zeltpunkt mit Hilfe der Erfindung erkannt werden kann, zu welchem das bloße Auge das Erkennen von Gasbläschen gestatten würde.

Die Erfindung wird Im folgenden anhand eines Aus-"führungsbelspieles und unter Bezug auf die Zeichnung näher beschrieben. In dieser zeigt

F1 g. 1 ein graphisches Schaublld, weiches die Relation zwischen injizierten CO-Gasmengen und gelösten CO-Mengen darstellt,

F13. 2 eine schematische Darstellung einer Vorrlchtung zum Ausführen des Verfahrens,

F1 g. 3 eine schematische Darstellung einer Einrichtung zum Messen der gelösten CO-Menge,

Flg. 4 eine Meßaufzeichnung der Schwankungen, die In den gelösten CO-Gasmengen auftreten, wenn ein Kühlbalken gebrochen 1st, und

Flg. 5 eine erläuternde Darstellung zum in Flg. 4 angegebenen Beispiel.

Flg. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zum Ermitteln von Rissen oder Brüchen In einem Kühlbalken Das Bezugszeichen 15 bezeichnet einen Hochofen, die Bezugszeichen Πα bis Hi bezeichnen Kühlbalken oder Kühlkästen, das Bezugszeichen 10 bezeichnet ein Rohr zum Zuführen von Kühlwasser von einem nicht dargestellten Behälter, Bezugszeichen 12 bezeichnet ein Rohr zum Austragen von Kühlwasser und das Bezugszeichen 13 bezeichnet einen Sammelbehälter für ausgetragenes Kühlwasser.

Ein Teil des ausgetragenen Kühlwassers wird mit Hilfe eines Mensurrohres 14 aus der Rohrleitung 12 abgezweigt so und mit Hilfe einer Abtasteinrichtung 1, welche den Strömungsdurchtritt des ausgetragenen Kühlwassers verändert, einer Filtereinrichtung 2 zugeführt. Als Abtasteinrichtung (scanner) 1st eine In der japanischen Gebrauchsmusteranmeldung 84.059/78 erwähnte Vorrichtung zum Umschalten des Kühlwasser-Ablaufrohres zwecks Ermittlung von Brüchen In Kühlwasserrohren eines Hochofens am meisten bevorzugt und bei der Ausführung der vorliegenden Erfindung benutzt worden. Die Kühlwasserprobe wird durch die Filtereinrichtung 2 hindurchgeführt und der In dieser Kühlwasserprobe enthaltene Gehalt an gelöstem CO wird mit Hilfe eines Analyslergerätes 3 bestimmt, wobei der ermittelte Wert In einem Anzeigegerät 6 angezeigt wird.

Die Abtasteinrichtung 1 und ein Steuerglied 4 für die zum Bestimmen der gelösten CO-Menge dienende Analysiereinrichtung 3 werden mit Hilfe einer Sequenz-Steuereinrichtung 5 so gesteuert, daß das Umschalten des Strömungsdurchtritts, das Bestimmen der gelösten

CO-Mengen und die Probenahme sowie das Anzeigen des ermittelten Wertes auf dem Anzeigegerät 6 in synchroner Welse erfolgen.

Das Bezugszeichen 7 bezeichnet Gasflaschen für zum Ausführen der Analyse benötigten Stickstoff und Wasserstoff, während ein Bezugszeichen 9 eine Flasche für ein Normalgas mit etwa 2796 CO enthält, welches benötigt wird, um zu überprüfen, ob die Gesamteinrichtung richtig arbeitet oder nicht. Durch Steuerung der Druckdifferenz zwischen Einlaß und Auslaß einer Vi6"-Kapillare 8 ist es möglich, einen vorgegebenen CO-Gas-Durchfluß Im Wege eines Kühlbalkens zu lösen und zu überprüfen, ob die korrekte Anzeige am Strömungskana! erfolgt oder nicht.

Die Abtasteinrichtung 1 kann ein Dreiwegeventil \d betätigen. Üblicherweise ist der Strömungskanal der Seite la mit der strömungsabwärts gelegenen Seite verbunden und wird die entnommene Wasserprobe mittels der Wirkung der Seite Ic umgeschaltet. Durch Umschalten der Strömungsrichtung Im Ventil lrf kann dei Strömungskanal der Seite Ii mit der strömungsabwärts gelegenen Seite verbunden werden. In diesem Fall wird als Probe ein Mittel oder Durchschnitt derjenigen Strömungskanäle entnommen, die nicht vermittels des Gliedes Ic ausgewählt worden sind.

Im folgenden wird eine Ausführungsform des Analysators 3 für das gelöste CO-Gas erläutert. Flg. 3 zeigt In Form eines schematischen Diagramms das Prinzip des Analysators 3. Das Bezugszeichen A bezeichnet eine Wasserprobe, die einen Teil des ausgetragenen Kühlwassers darstellt, wobei das Kühlwasser üblicherweise In Zirkulation über die Positionen p->/-»-Mensurrohr E-*c->d ausgetragen wird, so daß sich der In der Zeichnung gestrichelt dargestellte Strömungspfad unter Verwendung eines Probenahmeventils 5, ergibt.

Wird das Probenahmeventil S₁ so umgeschaltet, daß sich der In der Zeichnung In ausgezogener Strichführung dargestellte Strömungspfad nach Empfang eines entsprechenden Signals von der Steuereinheit 4 ergibt, so strömt ein Trägergas über ß-»g-»/;-»a-)/-»Mensurrorir £-»c-»i, um eine vorgegebene Menge des als Probe entnommenen und Im Mensurrohr E enthaltenen Wassers In eine Expansionskammer F zu führen. Well die Expansionskammer F eine ausreichend größere Kapazität besitzt als die Rohrleitung, wird der Druck des als Probe entnommenen Wassers rasch herabgesetzt und In der Wasserprobe gelöstes CO vollständig vom Trägergas herausgespült und einer Kolonne G zugeführt. Das sich an die Kolonne G anschließende Bauteil Ist völlig dasselbe wie bei herkömmlichen Gaschromatographen und In dieser Kolonne werden der CO-Anteil und der CO₂-Antell vollständig als Folge der unterschiedlichen Transfergeschwindigkeit In der Kolonne getrennt, wobei lediglich der CO-Antell in einen Methankonverter Ii und einen FID-Detektor / eingebracht wird.

In diesem Detektor wird der CO-Antell quantitativ bestimmt. Wenn der CO-Antell durch die Kolonne K hindurchgeht, so werden die Kolonnen-Umschaltventlle S\, S₂ und S₃ umgeschaltet, so daß das Trägergas einen Strömungsweg B->n-*k-*Ko\onne G-^Expanslonskammer F->6-^a->/i->/-*Entlüftung D einschlägt, so daß das zu bestimmende Wasser und Gas vollständig aus dem System entfernt werden. Die Betriebs- und Wirkungswelse der Kolonnen-Umschaltventlle S₂ und S₃, der Kolonnen G, J und K, des Methankonverters H und des FID-Detektors / entsprechen derjenigen üblichen Gaschromatorgraphen, weshalb eine Beschreibung dieser Einrichtungen überflüssig erscheint.

Das im Rahmen de- Erfindung verwendete Meßgerät zur Bestimmung der gelösten CO-Menge zeichnet sich dadurch aus, daß die Wasserprobe in einer vorgegebenen Menge von dem Mensurrohr aufgenommen und das Entgasen vollständig in der Expansionskammer durchgeführt wird. Demzufolge sind quantitative Analysen mit hoher Reproduzierbarkeit leicht zu erhalten. Fig. 1 zeigt ein Beispiel eines Versuchsergebnlsses und die Druckdifferenz (P = Pj-P₁) zwischen dem Einlaß und dem Auslaß der in Fig. 2 dargestellten Kapillare ist in drei Stufen eingestellt, um nacheinander die Menge an gelöstem CO zu verändern. Diese Mengen werden mit Hilfe der Meßeinrichtung nach der Erfindung analysiert. Als Ergebnis zeigt sich durch die Veränderung der gelösten CO-Menge in Fig. 1. daß eine proportionale Beziehung zwischen der Druckdifferenz des eingeführten CO-Gases und der Menge an gelöstem CO besteht.

Die vorliegende Erfindung mißt keine im Kühlwasser als Blasen vorliegenden CO-Mengen, sondern lediglich im Wasser gelöste CO-Mengen. Die Analyse von Blasen im ausgetretenen Kühlwasser, wie bei den Im Stand der Technik bekannten Verfahren, bedeutet ein Messen der die Löslichkeit übersteigenden freien Gasmengen und die Sensltlvität und die Raschheit dieser Messungen sind geringer als bei Messungen der gelösten Gasmengen. Tritt ein RIß oder Bruch Im Kühlbalken auf, so strömt das Kühlwasser In den Ofen hinein und die Ofengase vermischen sich mi: dem Kühlwasser, wobei sich die Gase Im Kühlwasser nach Maßgabe des Henry sehen Gesetzes im Kühlwasser lösen. Ist der RIß groß und 1st demzufolge die Menge an aufgenommenem Gas groß, so bildet das Gas Blasen und wird vom Wasser getrennt. Die vorliegende Erfindung stellt ab auf das Messen der CO-Gaskonzentration zu dem Zeltpunkt, wenn gasförmiges CO sich im Anfangsstadium des Auftretens einer Leckage im Kühlwasser löst. Es versteht sich, daß ein Riß oder dergleichen zum Zeltpunkt seines ersten Auftretens noch sehr fein sein kann.

Die Erfindung befaßt sich mit einem Verfahren zum Anzeigen von Wasser-Leckagen In einer große CO-Gasmengen enthaltenden Einrichtung, wobei Wasserleckagen gemeint sind, die durch Risse in Kühlsystemen für solche Einrichtungen hervorgerufen sind. Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird die im ausgetretenen Kühlwasser gelöste CO-Menge quantitativ analysiert und werden Schwankungen der gelösten CO-Menge gewürdigt.

Eine Vorrichtung zum Ausführen des obenerwähnten erfindungsgemäßen Verfahrens umfaßt eine Mensurrohr zur Probenahme sowie eine Einrichtung zum Bestimmen von CO, welche mit einer Meßeinrichtung versehen 1st, um eine vorgegebene Menge der Probe aufzunehmen und den In der Wasserprobe gelösten CO-Gehalt zu bestimmen. Außerdem Ist eine Expanlsonskammer vorgesehen, um das In der untersuchten KUhlwasserprobe enthaltene gasförmige CO zu entgasen.

Die Erfindung wird Im folgenden anhand einer Kühleinrichtung für eine große Mengen an CO-Gas enthaltende Einrichtung beschrieben. Als Beispiel sei auf die Kühlbalken von Hochöfen verwiesen.

Der Innendruck Im Hochofen während der üblichen Arbeltswelse beträgt etwa 3 bis 4 kg/cm² und Ist Im wesentlichen gleich dem Druck des Kühlwassers. Geht die Kühleinrichtung eines Kühlbalkens oder dergleichen zu Bruch und gelangt Wasser In den Ofen, so führt dieses dazu, daß sich die Ofengase dem Kühlwasser zumischen, wobei die Ofengase In Abhängigkeit von Temperatur und Druck gelöst werden.

Tafel 1	CO	CO₂
Volumenverhältnis	2,3 xlO-²	8,8x10-'
	bei 20° C
(1) Löslichkeit	ίο-⁵	3XlO"³
	0,2-0,4	0,1-0,2
(2) Anteil an Luft
(3) Anteil Im Ofen

Die vorstehende. Tafel 1 enthält In der obersten Reihe die Lösllchkelten von CO und CO₂ In Wasser, In der mittleren Reihe die Anteile von CO und CO₂ an der Luft und enthält In der untersten Reihe die CO- und CO₂-Gehalte In Hochofengas.

Sind die Rühiwasserieckagen nur gering, so iösl sich die Gesamtmenge des mit dem Kühlwasser vermischten Gases in demselben, wobei jeglicher Gehalt an CO und CO₂ bis zum Lösllchkeltsprodukt eines jeden Gases und dem Partialdruck entsprechend des Henry'schen Gesetzes gelöst wird. Das bedeutet, daß das Produkt des Wertes (3) und des Wertes (1) aus Tafel 1 die maximale Gasmenge angibt, die Im Kühlwasser gelöst werden kann. Ist der Kühlwasserdurchfluß konstant, so Ist die gelöste Gasmenge der Durchfiußmenge des zugemischten Ofengases proportional. Diese im Kühlwasser gelöste Gasmenge 1st, so lange nicht andere Gase hinzutreten, konstant, weshalb es möglich ist, das Auftreten einer Lekkage und das Ausmaß einer Leckage durch Messung dieses Wertes zu ermitteln.

Fig. 1 zeigt ein Schaubild, welches erhalten wurde durch Vergleich einer ins Kühlwasser Injizierten CO-Menge mit der gelösten Menge, wenn SO-Gas Intermittierend In das Kühlwasser Injiziert wird. Es 1st zu erkennen, daß beide Mengen In proportionaler Relation sind.

Tritt kein Kühlwasserverlust auf, so kommt das Kühlwasser lediglich mit Luft In Berührung und die maximal gelöste Menge ergibt sich als Produkt des Wertes (2) und des Wertes (1) gemäß Tafel 1.

Wird ermittelt, ob eine Kühlwasserleckage vorhanden Ist oder nicht, so zeigt sich bei Vorhandensein einer Kühlwasscrleckage eine größere gelöste Gasmenge als beim Fehlen einer Kühlwasserleckage. Die Gefahr von Fehlmessung"en Ist gering, so daß das Verhältnis (3)/(2) gemäß Tafel 1 zur Beurteilungsgrundlage wird:

Für CO: 0,2 bis 0,4 χ ΙΟ⁵
für CO₂: 0,3 bis 0,7 xlO².

Dieses zeigt, daß das Messen der gelösten CO-Menge weit vorteilhafter ist als das Bestimmen der gelösten CO₂-Menge.

Tafel 2

gemessene Menge an gelöstem CO (Massenverhältnis)

Bemerkungen

(D	Kühlwasser für	10 ppb	Leckage-Beginn
	Hochofen-Kühl		im Kühlbalken
	balken
(2)	Kühlwasser für	8 ppb
	Hochofen-Kühl
	balken
(3)	Kühlwasser für	Anfangsstadium	Bruchstelle im
	Hochofen-Kühl	einer Leckage	Bereich der
	balken	40-100 ppb	Kontaktzone mit
		Endstadium einer	Hochofengas
		Leckage
		mehr als 200 ppb
(4)	Kühlwasser für	200 ppb
	eine Hochofen
	maschine

(5)	Stadt-Wasser	2-3 ppb
(6)	Mit gasförmigem	Oppb
	Stickstoff
	gespültes Stadt-
	Wasser

Tafel 2 zeigt die an verschiedenen Wassern gemessenen Ergebnisse, wobei es sich bei (1) und (2) um Kühlwasser von nicht zu Bruch gegangenen Kühlbalken handelt, die Messungen (5) und (6) Stadt-Wasser betreffen und die Messungen (3) und (4) Kühlwasser betreffen, deren System Brüche aufwies. Aus dem Vergleich der vorstehenden Tafel 2 zusammengestellten Daten ergab sich die Bestätigung, daß sich In befriedigender Weise Brüche durch Messen der gelösten CO-Menge aufspüren lassen.

Bei den durchgeführten Versuchen stellte sich heraus, daß das Auftreten von Rissen mit Hilfe der erfindungsgemäßen Messung der gelösten CO-Menge schon etwa 60 Stunden vor dem Zeltpunkt ermittelt wurde, zu welchem eine Beobachungsperson das Auftreten von Blasen Im ausgetragenen Kühlwasser mit dem bloßen Auge

erkennen und Bruchstellen im Kühlbalken auffinden konnte.

Die Erfindung wird Im folgenden anhand eines Beispiels noch näher erläutert, welches die Ermittlung eines Bruchs im Kühlsystem mit Hilfe der Erfindung beschreibt. , ,

Beispiel

Eine Vorrichtung nach der Erfindung wurde zur Überwachung von Hochofen-Kühlbalken oder -Kühlkästen l· 11 gemäß der in F1 g. 2 dargestellten Anordnung verwendet. In Fig. 4 1st eine Anzeige dargestellt, die sich ergibt, wenn ein Strömungskanal von zehn Strömungskanälen, In welchen gelöstes CO gemessen wird, zu Bruch geht. In F i g. 4 zeigt die Spitze des aufwärts gerichteten Pfeiles auf der Zeitachse den Zeitpunkt, zu welchem vor. der Abtasteinrichtung 1 eine Probe aus dem Kühlwasser entnommen wird. Es Ist zu erkennen, daß sich die Menge an gelöstem CO am 13. Februar um etwa 15.00 h erhöhte. Anschließend stieg und sank die Menge an gelöstem CO und nach dem 15. Februar, 16.0Oh, zeigte die Anzeige stets mehr als 200 ppb und es wird angenommen, daß der Riß des Kühlbalkens fortschritt. Am 16. Februar, 3.00 h, bemerkte eine Überwachungsperson einen Bruch des Kühlbalkens mit der Folge, daß der Kühlbalken am glelchen Tag um 12.00 h repariert wurde. Es zeigt sich, daß die Menge an gelöstem CO nach der Reparatur rasch wieder abnahm. In diesem Beispiel erkannte die erfindungsgemäße Überwachungsvorrichtung den Bruch des Kühlbalkens etwa 60 Stunden vor dem Zeltpunkt, zu welchem die Überwachungsperson den Bruch bemerkte, was deutlich die Wirksamkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung unterstreicht.

Die vorstehende Tafel 2 enthält die mit Hilfe der Vorrichtung an verschiedenen Kühlwassern ermittelten Meßergebnisse und, wie bereits erwähnt, zeigte sich, daß das Gas In den ausgetragenen Kühlwassern (3) und (4), die aus zu Bruch gegangenen Kühleinrichtungen stammten, mit hoher Genauigkeit gemessen werden konnten, so daß Risse oder Brüche frühzeitig erkannt werden können.

Verfahren und Vorrichtung nach der Erfindung beziehen sich In erster Linie auf Kühlelnrlchtungen, die mit CO-Gas In Berührung gelangen, also beispielsweise auf Kühlelnrlchtungen für Blasformen und Wandungen von Hochöfen und dergleichen. Die Erfindung läßt sich auf alle solche Kühlelnrlchtungen anwenden, In denen der Druck des Ofengases nicht beträchtlich niedriger Ist a!s der Druck des Kühlwassers. Die Reproduzierbarkeit, die Ansprechgenauigkeit, das Verhältnis von Signal zu Geräusch sind ausgezeichnet und die Installation 1st einfach. Außerdem 1st die Sensltivität der erfindungsgemäßen Vorrichtung besonders hoch, so daß selbst dann, wenn eine Vielzahl von Kühlwasserleltungen gemeinsam gemessen werden, eine befriedigende Ansprechgenauigkeit gewährleistet Ist. Demzufolge können mit Hilfe der Erfindung eine Vielzahl von Kühlwasserleltungen bzw. -durchtrltten gemeinschaftlich überwacht werden und kann dann, wenn eine ungewöhnliche Erscheinung auftritt, der CO-Gehalt einzelnder Kühlwasserleltungen gemessen werden, indem ein Abtastgerät entsprechend geschaltet wird. Nach Identifizierung der betroffenen Kühlwasserleitung kann diese repariert werden.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zum Ermitteln von Kühlwasserleckagen für große CO-Mengen enthaltende Einrichtungen, bei welchem Im Kühlwasser enthaltene CO-Bestandtelle überprüft werden, dadurch gekennzeichnet, daß Kühlwasser in einer vorbestimmten Menge als Probe mit Hilfe eines Mensurrohres entnommen und die in der Kühlwasserprobe gelöste CO-Menge mit Hilfe eines Trägergases In eine Expansionskammer überführt und dort durch Druckverminderung vollständig vom Kühlwasser getrennt wird, worauf diese CO-Menge quantitativ bestimmt und das Ergebnis dieser Bestimmung angezeigt wird.

2. Vorrichtung zum .Ermitteln von Kühlwasserleckagen für große CO-Mengen enthaltende Einrichtungen zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Mensurrohr (E), welches mit einer Trägergasleitung verbunden 1st, ein eine vorgeschaltete Expansionskammer (F) aufweisendes Analyslergerät (3) für die in der Kühlwasserprobe gelöst vorliegende CO-Menge und durch eine Anzeigeeinrichtung (6) für den ermittelten CO-Gehalt der Kühlwasserprobe.