Selbstüberwachung der Instrumente
Dr. Pedro Wuhrmann
SWAN ANALYTSCHE INSTRUMENTE AG
CH-8616 Riedikon / Uster
Schweiz
ESKOM International Conference on Process Water Treatment
and Power Plant Chemistry
April 3-5-, 2001
Midrand South Africa
Messwerte von analytischen Instrumenten liefern die Entscheidungsgrundlagen zur
Überwachung von Wasser-Dampf-Kreisläufen. Fehlende oder sogar falsche Werte können zu kostspieligen Fehlentscheiden führen.
Der Autor schlägt ein automatisches Qualitäts-Sicherungssystem zur Verifikation der Messwerte aus den Betriebsmessgeräten vor. Es sollen nur verifizierte Werte zur Entscheidungsfindung herangezogen werden.
Falsche Messwerte aus der Betriebsmesstechnik können zu kostspieligen Fehlentscheiden führen. Entsprechende Erfahrungen gehören zum Anekdotenschatz jedes Kraftwerks-Chemikers. Deshalb werden alle Instrumente sorgfältig gewartet und es ist nicht unüblich, dass sämtliche Messgeräte mehrmals täglich auf ihre korrekte Funktion hin überprüft werden.
Die Zielsetzung der Qualitäts-Sicherung ist einfach:
| Es dürfen nur verifizierte Messwerte zur Entscheidungsfindung herangezogen werden. |
Kraftwerksbetreiber leiden heute unter den folgenden Problemen:
Damit steigen die Anforderungen an die Betriebssicherheit der Mess-Instrumente im
Wasser- Dampf-
Kreislauf. In Zukunft werden Selbstdiagnose und Validierung von Messwerten selbstverständlich sein.
Zuverlässige Messwerte bedingen aber auch zahlreiche Maßnahmen im Umfeld der eigentlichen Messung:
Im Folgenden werden die drei Themen mit Beispielen erläutert. Die Interpretation der Messwerte ist ausdrücklich nicht Gegenstand dieser Untersuchung. Sie ist Sache der Chemiker, wir wollen lediglich zuverlässige Entscheidungsgrundlagen liefern.
Probenahmestellen und Instrumentierung werden üblicherweise vom Planer bzw. von den Lieferanten von Komponenten (Dampferzeuger, Turbine usw.) vorgegeben. Dazu sind ausreichend Richtlinien (VGB, EPRI) und weitere Literatur verfügbar.
Als Instrumentenhersteller beschränken wir uns darauf, die Eigenschaften des Probenwassers im Hinblick auf den Einsatz der Analysatoren zu definieren:
Druck: 1-5 bar
Temperatur: 10-50 °C
Menge: 5-15 Liter/Stunde für jedes Instrument
An einen Instrumentenaufbau stellen wir folgende Anforderungen:
Wie die Zeichnung zeigt, schlagen wir die Montage aller Instrumente, welche eine identische Probe messen, auf einer gemeinsamen Montageplatte vor. Diese wird deutlich mit der Probe gekennzeichnet.
Bisher wurden die Instrumente meist nach anderen Kriterien aufgestellt. Oft wurden aus ästhetischen Gründen alle gleichartigen Instrumente (z.B. alle Messumformer) zusammengefasst. Der Nassteil mit den Durchflusszellen für pH, Leitfähigkeit und Sauerstoff wurde abgedeckt. Solche Anordnungen erschweren den Unterhalt, vor allem die Kalibration
außerordentlich.
In unserem Vorschlaf wird der Systemdruck durch einen Rückdruckregler aufrecht erhalten. Der Auslauf des Rückdruckreglers dient gleichzeitig für die Laborprobe. Damit wird sichergestellt, dass stets aktuelle Probe zur Verfügung steht.
Laborprobe pH Säureleitfähigkeit Kieselsäure
Jede Messung bedarf zuerst einer repräsentativen Probe. Wir schlagen deshalb für jedes Instrument eine Temperaturmessung und eine Durchflussüberwachung vor.
Einige Instrumente benötigen Verbrauchsmaterialien wie Kationenaustauscher und Reagenzen (Kieselsäure, Natrium). Der Verbrauch solcher Materialien muss überwacht werden um Fehlmessungen
auszuschließen.
Durchflussmessung und Temperatursensor sind in der Durchflussarmatur CATCON+ integriert (Bild).
Fehlmessung wegen Probenstillstand sind nicht möglich.
Durch den Einsatz eines zweiten Leitfähigkeits-Sensors (für spezifische Leitfähigkeit) lässt sich zusammen mit dem Durchfluss der Erschöpfungsgrad des Kationentauschers berechnen. Der Betreiber wird auf den fälligen Ersatz des Harzes hingewiesen.
Die Temperaturmessung kann zusätzlich zur Überwachung der Sekundärkühler eingesetzt werden.
Für eine allfällige Notabschaltung steht ein Signal zur Verfügung.
Zusätzlich zu externen Parametern wie Probenfluss und Temperatur müssen instrumentenspezifische Faktoren berücksichtigt werden. Sensoren brauchen Wartung; müssen regelmäßig kalibriert, gereinigt und manchmal auch ersetzt werden.
Solche Wartungsarbeiten können auf ein Minimum beschränkt werden, wenn Instrumente über eine eingebaute Verifikation verfügen. Damit unterzieht sich das System einem periodischen Selbsttest.
Der Betreiber wird aktiv zur Wartung aufgefordert, wenn der Selbsttest erfolglos ist.
Während dem Betrieb eines Clark-Sensors kann die Membrane durch Magnetitkörner beschädigt werden. Der Defekt ist nicht sofort erkennbar. Er zeigt sich erst bei einer Kalibration. Mit der Faraday-
Verifikation lässt sich ein solches Problem automatisch feststellen. Dabei werden durch Elektrolyse zusätzliche 20 ppb gelöster Sauerstoff erzeugt.
Die Grafik zeigt das Signal eines SWAN OXYTRACE sensors während einer Verifikation. Der Sensor zeigt den Anstieg der Sauerstoffkonzentration um 20 ppb schnell und richtig an.
Der defekte Sensor antwortet langsam und bleibt unter dem Vorgabewert von 20 ppb innert der gesetzten Zeit. Das Instrument gibt einen Alarm aus.
Bekanntlich steigt die Antwortzeit von Natriumelektroden an, wenn sie ununterbrochen bei tiefsten Natriumkonzentrationen eingesetzt werden. Bei Instrumenten mit automatischer Kalibration können daraus Falschkalibrationen mit nachfolgenden Messfehlern entstehen.
Durch Zugabe einer Standard-Natriumlösung von bekannter Konzentration und nachfolgende Messung des Elektrodensignals können solche Sensoren erkannt werden. Das Instrument gibt einen Alarm aus.
Die Grafik zeigt das Signal eines SODITRACE Natrium-Monitors mit einer 2langsamen„ während der Verifikation.
Die analoge Datenübertragung mit 4 ... 20 mA wird den Ansprüchen der Qualitäts-Sicherung nicht gerecht. Es lassen sich lediglich Messwerte übertragen. Alle diagnostischen Daten von Probenstrom und Instrumenten fehlen. Deshalb wird für die moderne Qualitätssicherung ein Feldbus benötigt.
Alle SWAN - Instrumente lassen sich mit einer Buskarte ausrüsten. Darauf stehen die Feldbusprotokolle PROFIBUS DP und MODBUS zur Verfügung. In den bisherigen Installationen wurde das analoge Signal zur Warte geführt. Der Feldbus diente
ausschließlich der Qualitätssicherung. Damit werden die Messwerte und Diagnosen dem Labor zur Verfügung gestellt.
In Zukunft werden Feldbus-Systeme auch die 4 .... 20 mA Übermittlung ersetzen.
Visualisierung
Damit alle Messwerte und Diagnosen für die Qualitätssicherung auch in andern Räumen zugänglich sind, müssen sie visuell aufbereitet werden. Benötigt wird dazu weltweit erhältliche
Standard Soft- und Hardware:
Von ABB UTA (Mannheim) ist ein entsprechendes Paket auf der Basis der Steuerungs- und Visualisierungssoftware FREELANCE 2000 lieferbar.
SWAN hat eine beispielhafte Alternative mit der PROFIBUS-Karte von Siemens und der Visualisierung WINCC ebenfall von Siemens entwickelt. Dabei empfehlen wir einen Rechner für die Wandmontage mit Touchpanel. Dieser wird im Schaltschrank der Probennahme eingebaut.
Der Verzicht auf die Tastatur hilft, Fehlbedienungen zu vermeiden.
Der Vor-Ort-Rechner kommuniziert über Modem mit einem Rechner im Labor.
Neben FREELANCE von ABB und WINCC von Siemens kommen auch andere Pakete in Frage. Der Einsatz der Systemsoftware soll je nach Verfügbarkeit im Lande und vorhandenem
Know How entschieden werden.
| H. Maurer: | Recent progress in the design and operation of fully automated oxygen monitoring systems NUS International Chemistry On-Line Process Instrumentation Seminar 1995 Clearwater Beach FLORIDA |
| E.V. Maughan: | Validation and verification protocols and their application to calibration procedures and quality assurance in the power
plant ESKOM International Conference on Process Water Treatment and Power Plant Chemistry 1997 Midrand South Africa |
| P. Wuhrmann: | Validation and Verification of Sodium Analyzers NUS International Chemistry On-Line Process Instrumentation Seminar 1997 Clearwater Beach FLORIDA |
| H.G. Seipp: | Qualitätssicherung chemischer Messdaten des Wasser-Dampfkreislaufes durch Automatisierung und
Datenübermittlung VGB Tagung Chemie im Kraftwerk 2000 Essen Deutschland |
| M. Stoffel: | Quality assurance in power cycle monitoring EPRI 6th International Conference on Cycle Chemistry in Fossil Plants 2000 Columbus OHIO |
a) Alle Messwerte auf einen Blick
b) Diagnosebildschirm pro Instrument
SWAN Dr. Pedro Wuhrmann
13.10.01