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Kein Schaden am Kessel

Wasseraufbereitung und Wasseranalytik in Wärmeerzeugungssystemen
Kein Schaden am Kessel

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Die häufigsten Schäden im Kesselbetrieb sind auf unzureichende Wasseraufbereitung und -analytik zurückzuführen. Durch korrosive Bestandteile im Speisewasser oder Kondensat können Speisewasserbehälter, Kessel oder das Kondensatnetz Schaden nehmen. Ungewollte Belagbildungen behindern den Wärmeübergang. Das Wasseranalysegerät LWA übernimmt vollautomatisch die kontinuierliche Überwachung des pH-Werts, O2-Gehalts und der Resthärte, um solchen Betriebsstörungen vorzubeugen.

Markus Tuffner

Bei allen Anwendungen, in denen Wasser auf höhere Temperatur gebracht wird, können durch Inhaltsstoffe Schwierigkeiten auftreten. Verursacht werden diese vorwiegend durch Sauerstoff- oder Kohlensäurekorrosion. Des Weiteren führen bestimmte Inhaltsstoffe des Wassers zu ungewollten Belagbildungen. Der bekannteste Belag ist hierbei wohl der Härtebelag. Wird die Schichtbildung nicht frühzeitig erkannt, behindert sie den Wärmeübergang und der Wirkungsgrad verschlechtert sich. Nehmen die Schichtdicken weiter zu, kann dies zu einer Überhitzung der Heizflächen und folgenschweren Schäden bis hin zu Kesselexplosionen führen. Häufig entstehen auch Probleme in nachgeschalteten Prozessen durch Aufschäumen und Wassermitriss von mangelhaft aufbereitetem Kesselwasser. Neben der Verschlechterung der Dampfqualität hat dies teilweise dramatische Auswirkungen auf die Lebensdauer nachgeschalteter Elemente, Armaturen, Leitungen und der angeschlossenen Verbraucher. Aus diesem Grund hat der Gesetzgeber ein weitreichendes Regelwerk verabschiedet, das die Einhaltung genau definierter Wasserqualitäten fordert. Die DIN EN 12953–10 beinhaltet Vorgaben bezüglich des Aussehens, der Leitfähigkeit, des pH-Wertes, der Gesamthärte, der Säurekapazität, der Eisen-, Kupfer-, Kieselsäure-, Phosphat-, Fett/Öl- und der Sauerstoffkonzentration.
Wasservorbehandlung
Die am häufigsten eingesetzten Verfahren zur Wasservorbehandlung sind Enthärtung mittels Ionenaustauscher und Entsalzung mittels Umkehrosmose. Bei kleineren Anlagen oder hohen Kondensatrückflussraten wird häufig eine kostengünstige Enthärtung eingesetzt. Die Umkehrosmose ist ein kostenintensiveres Verfahren und ist daher vorwiegend bei Anlagen mit hohen Frischwasserraten oder wenn Kesselwasser mit geringer Leitfähigkeit benötigt wird im Einsatz. Je nach Größe ist es bei der Osmose erforderlich, dass eine Vor- oder Nachenthärtung geschaltet wird. Die sogenannte Teilentsalzung, ein Verfahren zwischen Enthärtung und Osmose, auch bekannt unter dem Begriff Entcarbonisierung, tritt neben den beiden erstgenannten Verfahren zunehmend in den Hintergrund. Das Verfahren arbeitet ähnlich wie die Enthärtung nach dem Ionenaustauschverfahren.
Der Enthärtung nachgeschaltet ist die thermische Entgasung. Die im Wasser in gelöster Form vorhandenen Gase werden durch Erwärmung herausgelöst und verlassen mit dem Brüdendampf das System. Bei kleineren Anlagen bzw. Anlagen mit sehr hohem Kondensatrückfluss wird häufig eine Teilentgasungsanlage eingesetzt. Wegen des niedrigen Temperaturarbeitsbereichs zwischen 85 und 90 °C erfolgt dieser Prozess nicht vollständig. Es sind noch geringe Konzentrationen an Gasen, insbesondere Sauerstoff und Kohlendioxid, vorhanden. Eine chemische Nachbehandlung ist zwingend erforderlich. Für größere Anlagen bzw. bei Anlagen mit sehr niedrigem Kondensatrückfluss werden aus diesem Grund üblicherweise Vollentgasungsanlagen eingesetzt. Diese arbeiten im Temperaturbereich zwischen 100 und 110 °C und entfernen die Gase nahezu komplett aus dem Speisewasser.
Abhängig von den verschiedenen physi-kalischen Wasseraufbereitungsverfahren muss eine Resthärte- und Restsauerstoffbindung auf chemischem Wege erfolgen. Zusätzlich ist ein Anheben des pH-Werts erforderlich. Bisher wurden die chemischen Mittel sehr oft stark überdosiert. Die Gründe dafür liegen im Wesentlichen in einer diskontinuierlichen Überwachung und empirisch eingestellten Dosierung. Bezüglich des Restsauerstoffgehalts lag die Ursache am Fehlen einer rentablen Messanalytik zur direkten Messung.
Wasseranalyse
Um geeignete Kesselwasserqualitäten sicherzustellen, sind die Wasserparameter kontinuierlich oder periodisch zu überprüfen. Das Speise- und Kesselwasser in Dampfkesseln und das Umlaufwasser in Heißwasseranlagen wird auf die relevanten Parameter (pH-Wert, direkte Leitfähigkeit, Säurekapazität, Härte und Sauerstoffgehalt) getestet. Üblicherweise erfolgte dies bisher, mit Ausnahme der Leitfähigkeit, manuell mit entsprechendem Arbeits- und Zeitaufwand. Die verschiedenen Wasseranalysen haben im täglichen Rhythmus, bzw. bei Ausrüstung der Anlage für einen beaufsichtigungsfreien Betrieb, mindestens alle drei Tage zu erfolgen. Um Messungen zu ermöglichen sind Probenahmestellen an repräsentativen Positionen im System vorgesehen. Typische Entnahmestellen sind der Kesselspeisewasserbehälter, der Absalzstutzen am Kessel und das Zusatzwasser nach der Wasseraufbereitungsanlage. Diese Probeentnahmestellen verfügen über Wasserprobenkühler. Die Leitfähigkeit wird kontinuierlich mit einer an der Kesselwasseroberfläche eingebauten Leitfähigkeitsmesselektrode gemessen. Die Gesamthärte- und die Säurekapazitätsbestimmung erfolgt üblicherweise mittels Titration bzw. photometrisch. Der Sauerstoffgehalt des Wassers wird überwiegend mit sehr teuerer Messanalytik ermittelt.
Vollautomatische Überwachung
Ein von Loos entwickeltes Wasseranalysegerät, der Loos Water Analyser LWA, übernimmt vollautomatisch die kontinuierliche Messung und Überwachung des pH-Werts und O2-Gehalts im Speisewasser sowie der Resthärte im Zusatzwasser und des pH-Werts im Kesselwasser. Hierzu hat das Unternehmen eigens spezielle Messverfahren entwickelt. Der O2-Gehalt wird in seiner tatsächlichen Höhe gemessen. Als Messelektrode dient eine mit Reaktionsflüssigkeit gefüllte Mikro-Glaskapillare, die aufgrund des eindiffundierenden Sauerstoffs einen elektrischen Stromfluss erzeugt. Der Stromfluss wird gemessen und der exakte Sauerstoffgehalt innerhalb des in der Kesseltechnik relevanten Messbereichs von 0,001 bis 0,1 mg/l ausgewiesen. Die Härtemessung erfolgt mit einer Messelektrode, die auf einer ionenselektiven Polymermembran basiert. Durchlässig ist diese lediglich für die Ionen-Härtebildner Ca und Mg. Von der induzierten Spannung kann auf den Härtegrad des Wassers zurückgeschlossen werden. Im Messbereich zwischen 0,0018 und 0,18 mmol/l (0,01 bis 1° dH) lassen sich somit alle Abweichungen sicher erfassen.
Den pH-Wert im Speise- und im Kesselwasser ermittelt eine pH-Referenz-Messelektrode, indem sie positive Wasserstoffionen erfasst. Auch hier wird eine kleine Spannung induziert, mit Hilfe derer sichere Aussagen über den pH-Wert im Messbereich zwischen 7 und 14 gemacht werden können. Alle Elektroden sind selbstüberwachend ausgeführt. In bestimmten Zeitintervallen erfolgen automatisch Referenzmessungen gegen das Rohwasser oder gegen sich selbst. Die verschiedenen Messelektroden unterliegen einem natürlichen Verschleiß. Die Kosten für die Ersatzelektroden entsprechen aber ungefähr den Kosten der Indikatorlösungen und Teststreifen bei manuellen Wasseranalysen.
Alle Daten werden mittels Bussystem an die übergeordnete Anlagensteuerung Loos System Control LSC übertragen. Gemeinsam mit der Kesselwasserleitfähigkeit und den Leitfähigkeiten bzw. Trübungen der Kondensatströme liegen dann alle relevanten Wasserparameter im LSC vor. Alle anstehenden Parameter werden bei einer Grenzwertüberschreitung in den Störmeldespeicher der LSC übertragen. Fehlerursachen lassen sich hierdurch einfacher analysieren. Auch eine kontinuierliche Protokollierung der Daten ist möglich. Diese können in festgelegten Intervallen entweder per Profibus an eine übergeordnete Leitstelle übertragen oder via definierter Schnittstelle direkt an einem lokalen Drucker oder Bildschirmschreiber ausgegeben werden. Auf Basis der gemessenen Wasserqualitäten erfolgt die Regelung der verschiedenen Dosiermittelpumpen. Der Brüdendampfstrom ist bei konventioneller Betriebsweise auf ca. 0,5 % der Nennleistung des Kessels ausgelegt. Ein ständiger Energieverlust durch den aufsteigenden Brüdendampf ist die Folge. Die Messung des Sauerstoffgehalts mit dem Analysegerät LWA ermöglicht eine gezielte Ansteuerung eines Brüdenventils. Innerhalb der erlaubten Grenzwerte kann das Ventil geschlossen werden. Lediglich wenn die geforderten Grenzwerte überschritten werden, das heißt wenn die Entgaserleistung wirklich benötigt wird, öffnet das Brüdenventil und der mit Sauerstoff- und Kohlendioxid angereicherte Brüdendampf kann das System verlassen. Brennstoffeinsparungen sind die Folge.
cav 446

Weitere Informationen zum Wasseranalysegerät
DIN EN 12953-10
ISH 2007
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