Teure Leckagen aufgespürt

Inspektion von Kondensatableitern in Prozessdampfnetzen mit Wärmebildkameras

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13.06.2019 Durch regelmäßige Überprüfungen der Kondensatableiter in dampfführenden Rohrleitungssystemen lassen sich Funktionsstörungen erkennen, die – sonst kaum bemerkt – hohe, aber recht einfach vermeidbare Kosten durch Energieverluste verursachen. Wärmebildkameras sind besonders gut geeignet, solche Funktionsstörungen zu erkennen – und somit beheben zu können.

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Entscheider-Facts für Betreiber

  • Aus der betrieblichen Praxis in den Vereinigten Staaten ist bekannt, dass nach drei bis fünf Jahren ohne Instandhaltung etwa 15 bis 30 % der Kondensatableiter nicht mehr einwandfrei funktionieren.
  • Wenn ein mittelgroßer Kondensatableiter in einem 7-bar-Dampfnetz im offenen Zustand versagt, wird Dampf mit Kosten von (umgerechnet) etwa 2.500 Euro pro Jahr verschwendet.
  • Eine jährliche Inspektion der Kondensatableiter und der zugehörigen Komponenten mit Wärmebildkameras vermindert die Dampfverluste um 50 bis 75 %, heißt es beim US-amerikanischen Department of Energy.

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Wärmebilder zweier Kondensatableiter:  einwandfrei funktionierend in geschlossenem Zustand, zu sehen an dem großen Temperaturunterschied zwischen Dampfzufuhr (links, rot) und Ableitung (rechts, grün), …

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… ein defekter Ableiter – das Wärmebild offenbart in der Dampfzufuhrleitung, dem vertikalen Rohr, eine Kondensation von Wasser im unteren Bereich (grün) und die Dampfzufuhr in den Luftkanal. Bilder: Fluke

Wasserdampf wird in vielen Industriebranchen wegen seiner Fähigkeit, viel Wärme aufnehmen und bei der Kondensation abgeben zu können, und anderer Vorteile wegen, gerne als Wärmeträger zum Beheizen von Prozessen eingesetzt. Weil Dampf so viel Wärmeenergie besitzt, ist der Verlust von Heißdampf in dem dampfführenden Rohrleitungssystem – etwa durch Leckagen – allerdings auch recht teuer. Verluste im Dampfnetz, beispielsweise durch defekte Kondensatableiter, können sich schnell zu vermeidbaren Kosten in Höhe von Zehntausenden von Euro jährlich summieren. Aber auch andere Funktionsdefekte an den Ableitern vermindern die Effektivität des Dampfnetzes und der Wärmeübertragung – und erhöhen so den Wärmebedarf und damit die Kosten.

Die technisch möglichen Defekte an Kondensatableitern sind aber nicht nur unnötige Kostenverursacher, sie können schlimmstenfalls auch zu einem plötzlichen Ausfall des gesamten Dampfsystems führen. Kondensatableiter befinden sich oft an schwer zugänglichen Stellen im Rohrleitungssystem und müssen über Stege und Leitern erreicht werden. Wärmebildkameras mit einer guten Auflösung erlauben es, diese Regelarmaturen auch aus größerem Abstand beziehungsweise vom Boden des Maschinenraums aus zu überprüfen. Die Kameras nehmen das gesamte Temperaturprofil des Ableiters bei laufendem Betrieb flächig auf. Instandhaltungsmitarbeiter können mit den Wärmebildern einfach feststellen, ob der Kondensatableiter ordnungsgemäß funktioniert oder nicht. Bereits das Auffinden eines großen, defekten Kondensatableiters kann die Ausgaben für eine Wärmebildkamera ausgleichen.

Die Kosten von Ausfällen und Defekten

Im schlimmsten Fall, beim Ausfall des Dampfsystems, können in der US-amerikanischen Chemie-, Nahrungsmittel-, Getränke- oder Pharmaindustrie Kosten zwischen (umgerechnet) 550.000 und 850.000 Euro pro Stunde verursacht werden. Soweit soll und muss es natürlich nicht kommen.

Aus der betrieblichen Praxis ist bekannt, dass nach drei bis fünf Jahren ohne Instandhaltung etwa 15 bis 30 % der Kondensatableiter nicht mehr einwandfrei funktionieren. Wenn ein mittelgroßer Kondensatableiter in einem 7-bar-Dampfsystem im offenen Zustand versagt, wird Dampf mit Kosten von etwa (umgerechnet) 2.500 Euro pro Jahr verschwendet. Die Kosten für Lecks in einem Dampfrohrleitungssystem mit 60 mittelgroßen Ableitern liegen also wahrscheinlich zwischen (umgerechnet) 22.500 und 45.000 Euro pro Jahr.

In einem konkreten Fall in einem Betrieb in den Vereinigten Staaten verminderten sich durch thermografische Inspektionen der Dampfleitungen die Energiekosten um 16.200 US-Dollar pro Jahr. Eine Wärmebildkamera von Fluke, Modell Ti125, zeigte die verschiedenen Probleme im gesamten System auf:

  • Kondensatableiter, die nicht ordnungsgemäß funktionierten,
  • Dampflecks in den Spulen von Elektrolytbädern,
  • Dampflecks in galvanischen Anlagen sowie
  • Möglichkeiten zur Kondensat-Rückführung.

Die defekten Ableiter wurden für je 500 US-Dollar ausgetauscht. Die Kostenersparnis, die sich daraus ergab, betrug 3.200 US-Dollar pro Ableiter. Die Messwerte des Energiezählers an der Kesselversorgung wurden vor und nach dem Vorgang aufgenommen, um sicherzustellen, dass die Änderungen erfolgreich waren.

Funktionsweise von Kondensatableitern

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Wärmebildkameras sind auch sehr nützlich, um andere Anlagenkomponenten wie Motoren, Lüfter und Pumpen, auf mögliche Defekte – etwa überhitzte Wellenlager – zu prüfen.

Idealerweise wird der gesamte vom Kessel erzeugte, trocken gesättigte Dampf (Sattdampf) zur Last transportiert. Bei der Last angekommen, gibt der Dampf einen großen Teil seiner Wärmenergie an den Wärmeübertrager beziehungsweise Erhitzer ab. Dabei kondensiert der Dampf teilweise, vor allem an den Innenflächen des Apparats und wird so zu einem feuchten Dampf (Nassdampf), gemischt mit kondensiertem Wasser (Kondensat), das sich noch auf Dampftemperatur befindet. Der Nassdampf strömt zurück in den Kessel und wird dort erneut in Sattdampf umgewandelt. Das Kondensat kann sich jedoch im Rohrleitungssystem ansammeln und Staunässe verursachen. Dies kann zu verminderten Wirkungsgraden und sogenannten „Wasserschlägen“ sowie gefährlichen Temperaturunterschieden (Temperaturschocks) führen, die Rohrleitungen und Komponenten beschädigen.

Luft im Dampfnetz, vor allem bei einer Inbetriebnahme des Dampferzeugers, vermindert den Wirkungsgrad und muss aus den Leitungen entfernt werden. Kondensatableiter verfügen über Ventile, die das Kondensat und Luft ohne den Verlust von Dampf aus dem System ablassen. Das Kondensat kann über Kondensat-Sammelbehälter und Pumpen in den Speisewasserbehälter des Kessels zurückgeleitet werden, und die Luft wird in die Atmosphäre abgelassen.

Verschmutzungen im Dampfsystem können Kondensatableiter blockieren. Auch das Kondensat kann Korrosionsschäden verursachen, besonders wenn ungeeignete Wasserqualitäten eingesetzt werden. Wenn ein Kondensatableiter im offenen Zustand versagt, dann lässt er Dampf ab – eine Verschwendung von Energie beziehungsweise Geld. Wenn er im geschlossenen Zustand versagt, dann sammelt sich Kondensat in den Wärmeübertragungskomponenten und Rohrleitungen an. Dies beeinträchtigt – wie bereits erwähnt – die Effektivität der Wärmeübertragung und kann Wasserschläge verursachen.

Das Prüfprogramm für Dampfnetze

Bei einer Inspektion des Dampfnetzes muss jedes Teil des Systems überprüft werden: der Dampfkessel auf Leckagen, die Wärmeübertrager und die Dampfleitungen auf mögliche Blockierungen, unterirdische Dampfleitungen auf Lecks sowie die gesamte übrige Prozessausrüstung auf Anomalien.

Ein ordnungsgemäß funktionierender Kondensatableiter weist einen bestimmten Temperaturunterschied zwischen dem Dampfeintritt und -austritt am Ableiter auf, wenn er geschlossen ist. Der tatsächliche Unterschied hängt von Temperatur und Druck des Dampfes und der Bauart des Ableiters ab. Es ist ratsam, die Kondensatableiter und alle anderen wichtigen Komponenten des Dampfsystems mindestens einmal im Jahr zu prüfen, größere und kritische Ableiter häufiger. Der Vergleich der Bilder mit früheren Aufnahmen zeigt, ob warme oder kalte Stellen ungewöhnlich sind und ob Reparaturen erfolgreich waren. Auf Berichtsformularen sollte eine Folgeprüfung kurz nach den Reparaturen angesetzt werden.

Die Temperatur von Hochdruckdampf (16 bar) liegt bei ungefähr 200 °C – mögliche Sicherheitsrisiken sollten also unmittelbar beseitigt werden, gefolgt von solchen, die die Produktion und Produktqualität beeinträchtigen.

Und schließlich sollten die unnötigen Dampfverluste beseitigt werden, die hohe Kosten verursachen. Die ermittelten Probleme an den Kondensatableitern und anderen Systemkomponenten lassen sich mithilfe der Software der Wärmebildkamera einschließlich Wärmebildern sehr gut dokumentieren. Dadurch lassen sich die Probleme leicht aufzeigen, wenn es darum geht, Instandsetzungsmaßnahmen zu empfehlen.

Andere Systemkomponenten, vor allem Motoren, Lüfter und Pumpen, sollten ebenfalls regelmäßig überprüft werden. Wärmebildkameras sind auch hier nützlich, etwa um Defekte an überhitzten Wellenlagern von Maschinen oder auch heiße Stellen an Stromleitungen und Schaltschränken zu erkennen.

Prüfung von Kondensatableitern

Das Programm zur Leistungsbeurteilung von Kondensat­ableitern des US-amerikanischen Department of Energy (DoE) empfiehlt das Prüfen von „Erscheinungsbild, Klang und Temperatur“ als hauptsächliche Techniken. Nach Angaben des Ministeriums führt bereits die Durchführung einer einfachen jährlichen Inspektion der Kondensatableiter und der zugehörigen Komponenten mit Wärmebildkameras zu einer Verminderung der Dampfverluste von 50 bis 75 %.

Wärmebildkameras zeigen Oberflächentemperaturen der Systemkomponenten anschaulich, und damit auch, ob sie wie gewünscht funktionieren und ob Energie vergeudet wird. Eine hohe Eintrittstemperatur und niedrige Austrittstemperatur (weniger als 100 °C oder 212 °F) zeigen, dass der Ableiter ordnungsgemäß funktioniert.

Wenn die Eintrittstemperatur am Ableiter signifikant unter der Systemtemperatur liegt, dann gelangt kein Dampf in den Ableiter. Der Ableiter öffnet sich aufgrund von Fehlfunktionen des Mechanismus nicht oder wird durch Verschmutzungen blockiert, oder das Problem liegt vor dem Ableiter, etwa durch ein geschlossenes Ventil oder ein blockiertes Rohr.

Wenn die Ein- und Austrittstemperaturen gleich sind, dann versagt der Kondensatableiter vermutlich in offenem Zustand – Dampf gelangt in die Kondensatleitung. Wenn Ein- und Austrittstemperaturen zu niedrig sind, dann versagt der Kondensatableiter vermutlich im geschlossenen Zustand – Kondensat füllt den Ableiter und die Eintrittsleitung.

Für gewöhnlich werden Kondensatableiter anhand der folgenden Methoden geprüft:

  • Klang: Mithilfe eines Ultraschallgeräts kann das Prüfpersonal den Durchfluss durch den Ableiter hören. Der Ultraschallempfänger kann Ableiter mit Lecks erkennen oder Ableiter, die im offenen Zustand versagt haben und Dampf ablassen. Der Unterschied zwischen Dampf und Kondensat im System ist hörbar.
  • Erscheinungsbild: Sichtprüfung, das heißt Untersuchung des Ausstoßes aus dem Ableiter, um festzustellen, ob Frischdampf austritt. Dies ist durch Ansehen der offenen Auslassleitung aus einem Ableiter oder Verwendung von Schaugläsern vor oder nach einem Ableiter möglich.
  • Leitfähigkeit: Leitfähigkeitsmessgeräte weisen auf vorhandenes Kondensat in einer Kammer vor dem Ableiter hin; ist kein Kondensat vorhanden, weist dies darauf hin, dass der Ableiter Dampf ablässt.
  • Temperatur: Die Temperaturen am Ein- und Austritt des Ableiters werden gemessen und verglichen.

Diese Methoden sind recht effektiv, wenn sie von erfahrenen Instandhaltungsmitarbeitern angewendet werden. Die Wärmebild-Inspektion lässt sich jedoch auch mit geringen Erfahrungen ziemlich effektiv einsetzen.

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Heftausgabe: Juni/2019

Über den Autor

Alexander Bardakov, Industrial Application Engineer von Fluke Europe in Kooperation mit Pennant Engineering
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