Präzise in die Flamme

Hart Loop Converter hilft, Brennersteuerung zu optimieren

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20.03.2014 Industriebrenner optimal zu steuern ist keine einfache Aufgabe. Denn häufig schwankt der Heizwert der eingesetzten Brennstoffe. Allerdings müssen in den nachgeschalteten Prozessen die Temperaturen meist sehr genau eingehalten werden - auch über einen längeren Zeitraum hinweg. Diese Aufgabe übernimmt die Steuerung des Brenners. Ein neuer Ansatz nutzt Zusatzinformationen aus Hart-fähigen Feldgeräten.

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Entscheider-Facts Für Betreiber

  • Die Steuerung von Industriebrennern nach dem Heizwert der eingesetzten Brennstoffe ist nicht einfach. Geräte zur Heizwertbestimmung sind teuer.
  • Eine wirtschaftliche Methode nutzt zusätzliche Informationen aus Hart-fähigen Feldgeräten, die zur Blendenmessung von Brenngasströmen eingesetzt werden.
  • Möglich wird dies durch den Einsatz eines Hart Loop Konverters.

Industriebrenner optimal zu steuern, ist keine einfache Aufgabe. Denn häufig schwankt der Heizwert der eingesetzten Brennstoffe. Allerdings müssen in den nachgeschalteten Prozessen die Temperaturen meist sehr genau eingehalten werden – auch über einen längeren Zeitraum hinweg. Diese Aufgabe übernimmt die Steuerung des Brenners. Sie regelt die Zufuhr des Brennstoffs über ein Regelventil, das meistens eine Blende zur Messung benutzt, meist auf der Basis voreingestellter Temperatur- und Druckwerte. Kommt als Brenngas Wasserstoff zum Einsatz, der beispielsweise aus anderen Prozessen als Nebenprodukt anfällt, dann hängt der Heizwert zusätzlich von der Höhe des Wasseranteils ab. Wenn dieser zu hoch ist, senkt das den Heizwert und die für den Prozess nötige Temperatur ist zu niedrig. Ist er zu gering, überhitzt der Brenner, und die Temperatur im Prozess steigt. Das Resultat: In beiden Fällen ist der Wirkungsgrad jeweils nicht optimal.

Schwankungen der Brennstoffqualität ausgleichen
Brenner für Wasserstoff müssen daher so eingestellt werden, dass Schwankungen der Brennstoffqualität innerhalb enger Toleranzen liegen. Das ist zeitraubend und erhöht die Kosten für die Inbetriebnahme. Wesentlich genauer ist die Bestimmung des Heizwertes über den Wobbeindex, ein korrigierter Heizwert, in den das Dichteverhältnis des Brenngases zu trockener Luft eingeht und der damit auch den Wasseranteil berücksichtigt. Allerdings sind die entsprechenden Messgeräte sehr teuer. Gesucht ist daher eine Lösung, die den Heizwert des Wasserstoffs effizient und präzise ermittelt und automatisch eine Korrektur des Wasserstoffdurchflusses vornimmt.
Eine elegante und vor allem wirtschaftliche Methode hat HP Consulting entwickelt. Das Planungsbüro für MSR-E-Technik mit Sitz in Grenzach-Wyhlen ist unter anderem auf Lösungen für Industriebrennersteuerungen spezialisiert. Um die Brennersteuerung für Wärmeträgeranlagen zu optimieren, wurde eine spezielle Lösung entwickelt. Kern einer solchen Anlage ist der Kessel mit einem Brenner, von dem bis zu 400 °C heißes Öl über eine Pumpe zum Verbraucher transportiert wird. „Unsere Lösung basiert auf einer Korrektur der Standard-Wasserstoffdosierung“, erklärt Henry Pelk, Geschäftsführer des Unternehmens. „Wir nutzen zusätzliche Prozessparameter aus dem Feld in Verbindung mit dem Hart Loop Converter.“

Informationen aus dem Prozess nutzen
Der Ansatz von HP Consulting basiert auf der bidirektionalen Kommunikation zwischen Feldgeräten und Host-Systemen über das Hart-Protokoll. Damit wird das Potenzial von Hart-fähigen Feldgeräten genutzt. Für das Auslesen der digitalen Größen nutzt das Planungsbüro den von Pepperl+Fuchs entwickelten Hart Loop Converter (HLC). Dieser erfasst bis zu vier digitale Hart-Signale, wandelt sie in analoge 4…20-mA-Stromsignale um und stellt sie dem Host-System zur Verfügung, hier einer SPS. Bei Bedarf kann der Anwender das Gerät so programmieren, dass der gleiche digitale Wert über ein Signalsplitting in drei analoge Kanäle ausgegeben wird. Damit kann ein Signalwert auch von unterschiedlichen Systemen verwendet werden. Darüber hinaus ist es möglich, Grenzwertschaltungen über optionale Relais zu realisieren. Der HLC gehört zum K-System und stellt deshalb eine effiziente und mechanisch sehr stabile Lösung dar. Dazu gehören unter anderem die Montage auf einer 35-mm-Normschiene, die einfache Versorgung über Power Rail und die Übertragung einer Sammelfehlermeldung zur Steuerung.
Die zusätzlichen Regelgrößen, die der HLC neben dem Durchfluss von dem Hart-fähigen Feldgerät erhält, sind der Differenzdruck vor und hinter der Blende sowie der absolute Druck und die Temperatur des Wasserstoffs. Für die Kommunikation zwischen HLC und Feldgerät stehen zwei unterschiedliche Modi und Topologien zur Verfügung. Bei der beschriebenen Brennersteuerung für Wärmeträgeranlagen ist der HLC als Transmitterspeisegerät in Reihe zwischen Feldgerät und Steuerung geschaltet. Das heißt, jedes Feldgerät ist über die Zweileiter-Technik einzeln angebunden. Diese Punkt-zu-Punkt Topologie erlaubt den Betrieb im Burst-Modus. Hierbei liefert das Feldgerät ohne Aufforderung drei- bis viermal pro Sekunde einen aktualisierten Messwert. Ist das Feldgerät nicht Burst-fähig, schaltet der Konverter in den Command-and-answers-Modus, bei dem Daten gezielt abgefragt werden.

Energieeinsparung und schnelle Inbetriebnahme
Sind die aktuellen Prozessparameter ausgelesen, werden sie vom Konverter in analoge Stromsignale gewandelt und der SPS zur Verfügung gestellt. Auf der Basis dieser Daten wird der aktuelle Heizwert berechnet und daraus die notwendige Korrektur für die Dosierung der Wasserstoffmenge bestimmt. Mit dem entsprechenden Signal wird das Regelventil gesteuert. Die Speisung des Durchflussmessers im Feld wird vom Konverter übernommen.
Die Erfahrungen mit der Hart-basierten Lösung sind durchweg sehr positiv. „Die Vorteile liegen auf der Hand“, erklärt Henry Pelk: „Neben der Energieeinsparung durch einen optimalen Wirkungsgrad des Brenners wird auch die Inbetriebnahme beschleunigt. Hinzu kommt der geringe Hardwareaufwand durch die vorhandenen digitalen Variablen und die Nutzung der vorhandenen 4 … 20-mA Infrastruktur.“ Da sich die Anlage im Ex-Bereich befindet, ist es vorteilhaft, die Zahl der Übergabestellen zu minimieren. Bei der realisierten Lösung ist eine Verbindung vom HLC zur SPS ausreichend. Die einzige Alternative zu dieser Hart-Variante für eine genaue Bestimmung der Wasserstoffmenge wären drei einzelne Trennbarrieren und drei zusätzliche Feldgeräte gewesen – mit entsprechend höheren Kosten.

Simulation des Signalflusses
Die Einstellung der Hart-Variablen an den Ausgängen des Konverters erfolgt wahlweise über Drucktasten und ein Display oder über Pactware, eine offene und herstellerunabhängige Bedienoberfläche mit integrierter FDTSchnittstelle. So kann der Signalfluss schon während der Inbetriebnahme durch die Simulation eines speziellen Prozesswertes geprüft werden. Dadurch lassen sich der Weg der Signale über verschiedene Messpunkte hinweg verfolgen und Fehler frühzeitig korrigieren.
Fazit: Mit dem HLC wird das ohnehin vorhandene Informationspotenzial Hart-fähiger Feldgeräte auch für die analoge Welt erschlossen und stehen der Steuerung weitere aktuelle Messwerte zur Verfügung. Diese tragen entscheidend mit dazu bei, Prozesse präziser zu regeln, kritische Situationen frühzeitig zu erkennen und den gesamten Prozessablauf transparenter und sicherer zu gestalten.

Hannover Messe 2014 Halle 9 – D76

Mehr Informationen zum Hart Loop Converter auf der Webseite des Herstellers finden Sie hier.

Heftausgabe: April 2014

Über den Autor

Dipl.-Ing. Andreas Grimsehl, Produkt Marketing Manager Interface Technology, Pepperl+Fuchs
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