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Temperaturmesstechnik So erkennen Sie die gefürchteten Glimmnester frühzeitig

Von Dipl.-Medienwirt (FH) Matthias Back |

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Endress+Hauser (Deutschland) GmbH+Co. KG
J. Engelsmann AG
REMBE® GmbH Safety+Control
AZO GmbH + Co. KG

Wie kann für Sicherheit gesorgt werden, wenn die dafür notwendigen Einrichtungen veränderlich sein müssen? Ein Betreiber von Kohlekraftwerken setzt hier auf eine Wireless-Hart-Lösung zur Überwachung der Temperatur auf seinen Kohlehalden. Insbesondere die gefürchteten Glimmnester können so frühzeitig erkannt werden.

Über 20.000 Tonnen Kohle werden in einem Kraftwerk täglich verbraucht.
Über 20.000 Tonnen Kohle werden in einem Kraftwerk täglich verbraucht.
(Bild: Endress+Hauser)

Eines der größten Kohlekraftwerke, mit einer Nettoleistung von etwa 2000 MW, verbraucht bei einer Stromproduktion von etwa 11.000 GWh ungefähr vier Millionen Tonnen an Steinkohle. Täglich werden deshalb etwa 22.000 Tonnen an Kohle per Bahn geliefert. Neben dem Kraftwerk können bis zu 350 000 Tonnen an Steinkohle gelagert werden um Schwankungen oder Lieferengpässe auszugleichen.

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Im Ernstfall würde das für ungefähr vier Wochen ausreichen. Da in Deutschland Kohle nicht mehr wettbewerbsfähig abgebaut werden kann, wird diese zunehmend importiert. Die importierte Kohle bringt leider nicht nur Vorteile mit sich. Im Vergleich zur Kohle aus Deutschland, enthält Kohle aus Importländern wie z.B. China, Australien oder Südafrika mehr Anteile an flüchtigen Gasen. Ein großer Bestandteil davon ist Schwefel.

Zahlen rund um die Steinkohle

Neben der Kernenergie (15,8 %) und Braunkohle (25,6 %) ist die Steinkohle (18,5 %) eine wichtige Säule der deutschen Stromversorgung. Der Steinkohlenverbrauch ist gegenüber 2011 um 3,1 % gestiegen. Der Einsatz in den Steinkohlenkraftwerken hat sich nach Angaben eines Berichts vom November 2013 des Bundesministerium für Wirtschaft und Energie gegenüber dem Stand von 2011 um 5,0 % erhöht. Der Verbrauch in der Roheisenerzeugung nahm um 5,1 % ab. 2012 wurden demnach mit 10,8 Millionen t entsprechend 11,1 Millionen t SKE rund 1,3 Millionen t Steinkohle weniger gefördert als im Vorjahr.

Die Importe an Steinkohlen und Steinkohlenprodukten beliefen sich in 2012 auf insgesamt 45,9 Millionen t, darunter 2,8 Millionen t Steinkohlenkoks. Das waren 2,5 % weniger als im Vorjahr. Die Produkte wurden hauptsächlich aus Russland (11,5 Millionen t), den USA (9,8 Millionen t), Kolumbien (9,4 Millionen t), Australien (4,5 Millionen t), Polen (4,0 Millionen t) und Südafrika (2,0 Millionen t) bezogen.

Der Preis frei Grenze für Kraftwerkskohle aus Drittländern betrug im Durchschnitt des Jahres 2012 93,02 Euro/t SKE. Damit lag er um 13,95 Euro/t SKE unter dem Durchschnittspreis des Vorjahres.

Aus Sicherheitsgründen keine elektrische Verdrahtung

Diese enormen Mengen an gelagerter Kohle sind den natürlichen Gesetzen unterworfen. So herrscht auf den innenliegenden Kohleschichten ein enormer Druck und gleichzeitig beginnt die Kohle auszugasen. Mit der Zeit können sich unter geeigneten Umständen so genannte Glimmnester bilden, sofern keine Vorkehrungen getroffen werden. Diese Kohle ist anschließend unbrauchbar. Auf diese Weise gehen laut Süddeutscher Zeitung beispielsweise in China jährlich rund 200 Millionen Tonnen Kohle verloren! [1]

Die Glimmnester sind von außen nicht ersichtlich und durch den schleichenden Prozess sind sie nur schwer zu entdecken. Wenn sie zu spät bemerkt werden, ist die Schadensbekämpfung mit viel Aufwand hinsichtlich schweren Geräten und Personal verbunden. Das sind für den Betreiber vor allem hohe Kosten.

Um diese Großeinsätze zu vermeiden, möchte der Betreiber rechtzeitig über potenzielle Glimmnester Bescheid wissen, um entsprechende Gegenmaßnahmen einleiten zu können. Mit einer zentralen Anzeige der Temperatur in der Kohlehalde wäre das Problem gelöst.

Eine konventionelle Installation, also die dauerhafte Installation und Kabelverlegung für die Spannungsversorgung des Messgerätes sowie zur Datenübertragung, kommt auf der Kohlehalde nicht in Frage. Zwar bleiben die Kohlehalden für lange Zeit unberührt, jedoch müssen sie bei Engpässen schnell abbaubar sein. Darüber hinaus ist aus Sicherheitsgründen eine elektrische Verdrahtung hier nicht möglich. Die Messungen müssen variabel bleiben, von Zeit zu Zeit werden sie demontiert und an einer anderen Stelle erneut installiert.

Autarke und drahtlose Überwachung

Aus diesem Grund wird hier eine autarke und drahtlose Datenübertragung gefordert, die einfach und schnell realisiert werden kann. Zur Überwachung wird die Temperatur an zwanzig verschiedenen Stellen mit ein bis zwei Meter langen Temperaturmessgeräten in der Kohlehalde gemessen. Als Messaufnehmer werden TR12 Widerstandsthermometer mit iTEMP TMT182 als Kopftransmitter eingesetzt. Die Temperaturfühler sind ausgelegt für Temperaturen bis zu 650 °C und liefern lineare Werte von -200 bis 600 °C. Jede Messstelle ist mit einer Wireless-Hart-Datenübertragung ausgestattet.

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Die Lösung besteht aus einem zentralen Zugangspunkt für die drahtlos übermittelten Daten, einem sogenannten Gateway und den Adaptern, welche die Daten aus den Messinstrumenten aufnehmen und dann per Funkwellen versenden.

An jedes beliebige Feldgerät, welches seine Informationen via HART oder 4...20 mA zur Verfügung stellt, kann ein Adapter montiert werden.

Durch die integrierte Batterie, kann das Feldgerät mit Energie versorgt werden, eine zusätzliche Spannungsversorgung ist nicht mehr nötig. Je nachdem, wie häufig die Informationen übertragen werden und welches Messgerät versorgt wird, hält die integrierte Batterie über mehrere Jahre, bevor sie ausgewechselt werden muss. Der Austausch kann selbst in den explosionsgefährdeten Bereichen (bis Ex-Zone 1) durchgeführt werden.

Jeder Adapter kann Daten senden und empfangen, also auch Daten von anderen Teilnehmern weiterleiten. Hindernisse können durch den Einsatz des Adapters als Repeater überwunden oder umgangen werden. Dadurch wird ein vermaschtes Netzwerk aufgebaut und eine sichere Datenübertragung gewährleistet.

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Um die Organisation, über welche Teilnehmer im Netz die Daten geleitet werden, kümmert sich der Netzwerkmanager im Gateway. Er erkennt Veränderungen im Netzwerk und passt gegebenenfalls automatisch die Kommunikationspfade an. Dabei werden kontinuierlich zusätzliche Informationen aus den Adaptern bewertet, wie z.B. die Lebensdauer der Batterien und die Signalstärke.

Schneller Zugriff auf Informationen

Einen schnellen Zugriff auf Informationen über das Netzwerk ermöglicht auch der Webserver des Gateways, über dessen webbasierte Oberfläche das Gateway auch konfiguriert und Zuordnungen der Daten für den übergeordneten Zugriff vorgenommen werden können.

Jedes Temperaturmessgerät für die Kohlehalde ist mit einem Wireless-Hart-Adapter ausgestattet. Mehr ist nicht nötig. Der Adapter fügt sich formschlüssig an die Messgeräte. Netzwerkkennung, Schlüssel und die Grundeinstellungen wie die zu übertragenden Informationen wurden vorab konfiguriert. Vor Ort werden nur noch die Messstellen installiert und nacheinander die Batterien der Adapter eingesteckt.

Je nach Anforderung wird eine beliebige Anzahl an Messungen auf der Kohlehalde aufgestellt, das können vier, zehn oder auch alle zwanzig Messgeräte sein. Drei bis fünf zusätzliche Adapter sind als Repeater installiert, um Informationen an das Gateway weiterzuleiten.

Etwa alle fünf bis zehn Minuten erfasst der Adapter den Messwert vom Temperaturtransmitter. In der Zwischenzeit wird das Messgerät vom Adapter ausgeschaltet, um Energie zu sparen. Der Adapter selbst bleibt aktiv. Er leitet gegebenenfalls Daten von anderen Messstellen weiter oder sendet eigene Informationen, wie z.B. die Batterielebensdauer zum Gateway. Im Gateway, welches sich an der Außenfassade des Kraftwerkes befindet, werden die Daten in Registern zur Verfügung gestellt.

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Sie werden von einem elektronischen Datenschreiber, dem so genannten Memograph M über Modbus RTU ausgelesen, welches im Anlagenpult in der Leitwarte installiert ist. Hier haben die Mitarbeiter nun die Möglichkeit, die aktuellen Temperaturen zu beobachten. Bei Überschreitung vorgegebener Temperaturen wird eine Alarmierung ausgelöst.

Frühzeitige Erkennung von Temperaturanstiegen

Mit der autarken und drahtlosen Temperaturüberwachung via Wireless Hart ist der Betreiber in der Lage, den Anstieg der Temperatur in der Kohlehalde zu erkennen und frühzeitig Vorkehrungen zu treffen. Glimmnester sind ein Phänomen der Vergangenheit; auf aufwändige und teure Schadensbekämpfungen kann verzichtet werden. Eine Lösung mit Methode, welche der Betreiber an weiteren Standorten in Erwägung zieht einzusetzen.

Literatur

[1] Bojanowski, A.: Feuer unter der Erde (www.sueddeutsche.de/wissen/brennende-kohlefloeze-feuer-unter-der-erde-1.291416)

(ID:42485735)

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