Das Kesselhaus

Verfahren zur Erfassung des Wasserstandes in Dampfkesseln

Bei einem Dampferzeuger gibt es drei wesentliche Anwendungen für Füllstandsüberwachungssysteme:

• Füllstandsregelung - Um sicherzustellen, dass dem Kessel zur richtigen Zeit die richtige Wassermenge zugeführt wird.
• Niedrigwasseralarm - Für einen sicheren Kesselbetrieb stellt der Niedrigwasseralarm sicher, dass kein weiterer Brennstoff verbrannt wird, wenn der Wasserstand im Kessel auf oder unter ein vorgegebenes Niveau gesunken ist. Für automatisch gesteuerte Dampfkessel verlangen die nationalen Normen aus Sicherheitsgründen in der Regel zwei unabhängige Niedrigwasseralarme. Im Großbritannien wird der Brenner durch den unteren der beiden Alarme „gesperrt“ und es ist eine manuelle Entriegelung erforderlich, um den Kessel wieder in Betrieb zu nehmen.
• Hochwasseralarm - Der Alarm wird ausgelöst, wenn der Wasserstand zu hoch angestiegen ist, und meldet an den Kesselbediener, die Speisewasserzufuhr abzuschalten. Obwohl in der Regel nicht zwingend vorgeschrieben, ist der Einsatz von Hochwasseralarmen sinnvoll, da sie die Gefahr von Wassermitriss und Wasserschlägen im Dampfverteilsystem verringern.

Verfahren zur automatischen Niveauerfassung

Die folgenden Abschnitte in diesem Modul behandeln die wichtigsten Arten von Füllstandserfassungssystemen, die für Dampfkessel geeignet sind.

Elektrische Grundlagentheorie

Die Art und Weise, wie Strom fließt, kann mit der einer Flüssigkeit verglichen werden. Die Flüssigkeit strömt durch ein Rohr in ähnlicher Weise wie Strom durch einen Leiter (siehe Abbildung 3.16.2). 

Ein Leiter ist ein Material, wie beispielsweise Metalldraht, das den freien Fluss von elektrischem Strom ermöglicht. (Das Gegenteil von einem Leiter ist ein Isolator, der den Stromfluss verhindert, wie z. B. Glas oder Kunststoff). Ein elektrischer Strom ist der Fluss von elektrischer „Ladung“, die von winzigen Teilchen getragen wird, die Elektronen oder Ionen genannt werden. Die Ladung wird in Coulombs gemessen. 6,24 x 10¹⁸ Elektronen haben zusammen eine Ladung von einem Coulomb, was in Bezug auf die SI-Basiseinheiten einer Ampere-Sekunde entspricht.

Wenn Elektronen oder Ionen in Bewegung versetzt werden, wird der Stromfluss in Coulombs pro Sekunde gemessen und nicht in Elektronen oder Ionen pro Sekunde. Der Begriff „Ampere“ (oder A) wird jedoch für die Einheit verwendet, in der der elektrische Strom gemessen wird.

• 1 A = Ein Fluss von 6,24 x 10¹⁸ Elektronen pro Sekunde.
• 1 A = 1 Coulomb pro Sekunde.

Die Kraft, die den Strom zum Fließen bringt, wird als elektromotorische Kraft oder EMK bezeichnet. Eine Batterie, ein Fahrraddynamo oder ein Kraftwerksgenerator (neben anderen Beispielen) können diese erzeugen. Eine Batterie hat einen Pluspol und einen Minuspol. Wenn ein Draht zwischen den Polen angeschlossen ist, fließt ein Strom. Die Batterie wirkt wie eine Druckquelle, ähnlich wie die Pumpe in einem Wassersystem. Der Potentialunterschied zwischen den Anschlüssen einer EMK-Quelle wird in Volt gemessen und je höher die Spannung (Druck), desto größer der Strom (Fluss). Der Stromkreis, durch den der Strom fließt, weist einen Widerstand auf (ähnlich dem Widerstand von Rohren und Ventilen in einem Wassersystem). Die Einheit des Widerstands ist das Ohm (mit dem Symbol Ω) und das Ohm'sche Gesetz bezieht sich auf Strom, Spannung und Widerstand, siehe Gleichung 3.16.1: 

Ein weiterer wichtiger elektrischer Begriff ist die „Kapazität“. Sie misst die Ladungsmenge zwischen zwei Leitern (etwa analog zum Volumen eines Behälters), die erforderlich ist, um die elektrische Spannung um einen Betrag von einem Volt zu erhöhen.

Ein Leiterpaar hat eine große Kapazität, wenn es eine große Menge an Ladung benötigt, um die Spannung zwischen ihm um ein Volt zu erhöhen, so wie ein großer Behälter eine große Menge an Gas benötigt, um ihn auf einen bestimmten Druck zu füllen.

Die Einheit der Kapazität ist ein Coulomb pro Volt, die als ein Farad bezeichnet wird.

Leitfähigkeitselektrode

Stellen Sie sich einen offenen Tank mit etwas Wasser darin vor. Eine Sonde (Metallstab) wird im Tank aufgehängt (siehe Abbildung 3.16.3). Wenn eine elektrische Spannung angelegt wird und die Schaltung ein Amperemeter beinhaltet, wird letzteres Folgendes anzeigen:

• Wenn die Sonde in das Wasser getaucht ist, fließt Strom durch den Kreislauf.
• Wenn die Sonde aus dem Wasser gehoben wird, fließt kein Strom durch den Kreislauf.

Dies ist das Grundprinzip der Leitfähigkeitselektrode. Es wird das Prinzip der Leitfähigkeit genutzt, um eine Punktmessung durchzuführen. Wenn der Wasserstand die Elektrodenspitze berührt, löst sie eine Aktion über einen zugehörigen Regler aus.

Diese Aktion könnte Folgendes sein:

• Starten oder Stoppen einer Pumpe.
• Öffnen oder Schließen eines Ventils.
• Auslösen eines Alarms.
• Öffnen oder Schließen eines Relais.

Aber eine einzelne Spitze kann nur eine Einzel- oder Punktaktion ausführen. Daher sind bei einer Leitfähigkeitselektrode zwei Spitzen erforderlich, um eine Pumpe bei vorgegebenen Füllständen einund auszuschalten (Bild 3.16.4). Wenn der Wasserstand sinkt und die Spitze an Punkt A freiliegt, beginnt die Pumpe zu laufen. Der Wasserstand steigt an, bis er die zweite Spitze an Punkt B berührt, und die Pumpe wird abgeschaltet. 

Elektroden können auch in geschlossenen Behältern, z. B. in einen Kessel, eingebaut werden. Abbildung 3.16.5 zeigt einen oben geschlossenen Metallbehälter - Hinweis: Es ist ein Isolator erforderlich, wenn die Elektrode durch den Behälterdeckel hindurchgeht.

Nochmal:

• Wenn die Sonde eingetaucht ist, fließt ein Strom.
• Wenn die Sonde nicht im Wasser ist, hört der Stromfluss auf.

Hinweis: Um Polarisation und Elektrolyse (die Spaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff) an der Elektrode zu vermeiden, wird ein Wechselstrom verwendet. Es muss eine Standard-Leitfähigkeitselektrode verwendet werden, um einen Niedrigwasseralarm in einem Kessel auszulösen.

Nach den britischen Vorschriften muss dies täglich getestet werden.

Bei einer einfache Elektrode gibt es ein potentielles Problem - Wenn sich Schmutz auf dem Isolator ansammelt, würde ein leitender Weg zwischen der Sonde und dem Metalltank entstehen und der Strom würde weiter fließen, selbst wenn die Spitze der Elektrode außerhalb des Wassers wäre. Dies kann dadurch umgangen werden, indem die Leitfähigkeitselektrode so konstruiert und hergestellt wird, dass ihr Isolator länger ist und der Großteil ihrer Länge mit einem glatten Isoliermaterial wie PTFE/Teflon® ummantelt wird. Dadurch wird das Risiko von Schmutzansammlungen um den Isolator herum minimiert, siehe Abbildung 3.16.6.

Das Problem wurde gelöst durch:

• Verwendung eines Isolators im Dampfraum.
• Verwendung einer langen, glatten PTFE-Hülle als Isolator praktisch über die gesamte Länge der Metallelektrode.
• Einstellbare Empfindlichkeit am Regler. Für Niedrigwasseralarme stehen spezielle Leitfähigkeitselektroden zur Verfügung, die als „selbstüberwacht“ bezeichnet werden. Es sind mehrere Selbstüberprüfungsfunktionen integriert, darunter:
• Eine Vergleichsspitze, die kontinuierlich den Erdungswiderstand durch die Isolierung und durch die Sondenspitze misst und vergleicht.
• Prüfung auf Kriechstrom zwischen der Elektrode und der Isolierung. 
• Andere Selbsttest-Routinen.

Nach den britischen Vorschriften erlaubt die Verwendung dieser speziellen Systeme einen wöchentlichen anstatt eines täglichen Tests. Dies ist auf die die damit verbundenen höheren Sicherheitsstandards der Konstruktion zurückzuführen.

Die Spitze einer Leitfähigkeitselektrode muss auf die richtige Länge gekürzt werden, damit sie den gewünschten Schaltpunkt exakt wiedergibt.

Zusammenfassung Leitfähigkeitselektroden

Leitfähigkeitselektroden sind:

• Normalerweise vertikal montiert.
• Dort im Einsatz, wo eine Zweipunktregelung anwendbar ist.
• Häufig in Gruppen von drei oder vier Elektroden in einem einzigen Gehäuse montiert, obwohl es auch andere Konfigurationen gibt.
• Bei der Montage auf Länge zu kürzen.

Da diese Elektrode für den Betrieb die elektrische Leitfähigkeit nutzt, ist sie für Anwendungen mit sehr reinem Wasser (Leitfähigkeit unter 5 µ Siemens/cm) nicht geeignet.

Kapazitive Elektroden

Ein einfacher Kondensator kann dadurch hergestellt werden, indem dielektrisches Material (eine Substanz mit geringer oder keiner elektrischen Leitfähigkeit, z. B. Luft oder PTFE) zwischen zwei parallelen Platten aus leitendem Material eingefügt wird (Abbildung 13.6.8).

Die Grundgleichung für einen Kondensator, wie er in Abbildung 3.16.8 dargestellt ist, wird in Gleichung 3.16.2 dargestellt:

Daraus folgt:

• Je größer die Fläche der Platten, desto höher die Kapazität.
• Je näher die Platten beieinander sind, desto höher ist die Kapazität.
• Je höher die Dielektrizitätskonstante, desto höher die Kapazität.

Wenn also A, D oder K geändert wird, dann variiert die Kapazität!

Ein einfacher Kondensator kann durch Eintauchen von zwei parallel leitenden Platten in eine dielektrische Flüssigkeit aufgebaut werden (Abbildung 3.16.9).

Wenn die Kapazität gemessen wird, während die Platten allmählich eingetaucht werden, zeigt sich, dass sich die Kapazität proportional zur Tiefe ändert, mit der die Platten in die dielektrische Flüssigkeit eingetaucht werden.

Die Kapazität nimmt zu, umso mehr von der Plattenfläche in die Flüssigkeit eingetaucht wird (Abbildung 3.16.10).

Etwas anders ist die Situation bei Platten, die in eine leitfähige Flüssigkeit, wie beispielsweise Kesselwasser, eingetaucht sind, da die Flüssigkeit nicht mehr als Dielektrikum, sondern als Erweiterung der Platten wirkt.

Eine kapazitive Niveauelektrode besteht daher aus einer leitenden, zylindrischen Elektrode, die als erste Kondensatorplatte dient. Diese Elektrode ist mit einem geeigneten dielektrischen Material, typischerweise PTFE, ummantelt. Die zweite Kondensatorplatte wird durch die Behälterwand (bei einem Kessel das Kesselgehäuse) zusammen mit dem in dem Behälter enthaltenen Wasser gebildet. Durch die Änderung des Wasserspiegels ändert sich daher die Fläche der zweiten Kondensatorplatte, was sich auf die Gesamtkapazität des Systems auswirkt (siehe Gleichung 3.16.2).

Die Gesamtkapazität des Systems besteht daher aus zwei Komponenten (dargestellt in Abbildung 3.16.12):

• C_A, die Kapazität oberhalb der Flüssigkeitsoberfläche - Die Kapazität entsteht zwischen der Kammerwand und der Sonde. Das Dielektrikum besteht sowohl aus der Luft zwischen der Sonde und der Kammerwand als auch aus der PTFE-Umhüllung.

• C_B, die Kapazität unter der Flüssigkeitsoberfläche - Die Kapazität entsteht zwischen der Wasseroberfläche, die in Kontakt mit der Elektrode ist, und das einzige Dielektrikum ist die PTFE-Umhüllung.

Da der Abstand zwischen den beiden Kapazitätsplatten über der Wasseroberfläche (Kammerwand und Sonde) groß ist, ist die Kapazität C_A klein (siehe Gleichung 3.16.2). Im Gegenzug ist der Abstand zwischen den Platten unterhalb der Wasseroberfläche (die Sonde und das Wasser selbst) klein, und somit ist die Kapazität C_B im Vergleich zu C_A groß. Draus folgt, dass jeder Anstieg des Wasserspiegels eine Kapazitätssteigerung verursacht, die mit einem geeigneten Gerät gemessen werden kann.

Die Kapazitätsänderung ist jedoch gering (typischerweise gemessen in Pico-Farad, z. B. 10-12 Farad), so dass die Elektrode in Verbindung mit einer Verstärkerschaltung eingesetzt wird. Die verstärkte Kapazitätsänderung wird dann an einen geeigneten Regler gemeldet.

Wenn eine kapazitive Elektrode z. B. in einem Speisewassertank (Abbildung 3.16.13) eingesetzt wird, können mit dieser Füllstände kontinuierlich überwacht werden. Die zugehörige Reglung kann so eingestellt werden, dass sie ein Regelventil moduliert und/oder Punktfunktionen wie beispielsweise einen Hoch- oder Niedrigwasseralarm liefert.

Der Regler kann auch für die Ein-/Aus-Regelung eingerichtet werden. Hier sind die Schaltpunkte „Ein“ und „Aus“ in einer einzigen Elektrode enthalten und werden über die Regelung eingestellt, so dass kein Kürzen der Elektrode erforderlich ist. Da eine kapazitive Elektrode vollständig vom Isoliermaterial ummantelt sein muss, darf sie nicht auf Länge gekürzt werden.

Schwimmersteuerung

Dies ist eine sehr einfache Form der Füllstandsmessung. Ein alltägliches Beispiel für eine Niveausteuerung mit Schwimmer ist der Spülkasten an einer Toilette. Wenn die Toilette gespült wird, sinkt der Wasserstand im Spülkasten, der Schwimmer folgt dem Wasserstand nach unten und öffnet das Wassereinlassventil. Schließlich schließt der Spülkasten und wenn Frischwasser eintritt, steigt der Wasserstand, der Schwimmer steigt und schließt schrittweise das Wassereinlassventil, bis der gewünschte Pegel erreicht ist.

Das in Dampfkesseln verwendete System ist sehr ähnlich, bei dem im Kessel ein Schwimmer montiert ist. Dies kann in einer externen Kammer oder direkt im Kesselmantel erfolgen. Der Schwimmer bewegt sich auf und ab, wenn sich der Wasserstand im Kessel ändert. Der nächste Schritt besteht darin, diese Bewegung zu überwachen und damit entweder:

• Eine Speisepumpe (ein Ein-/Aus-Niveauregelsystem)
  
  oder

• Ein Speisewasser-Regelventil (ein modulierendes Niveauregelsystem) anzusteuern.

Aufgrund seines Auftriebs folgt der Schwimmer dem Wasserstand auf und ab.

• Am anderen Ende der Schwimmstange befindet sich ein Magnet, der sich in einer Edelstahlkappe bewegt. Da die Kappe aus Edelstahl besteht, ist sie (fast) unmagnetisch und lässt die Linien des Magnetismus durch sich hindurch.

In der einfachsten Ausführung betätigt die Magnetkraft die Magnetschalter wie folgt:

• Mit dem unteren Schalter wird die Speisepumpe eingeschaltet.
• Mit dem oberen Schalter wird die Speisepumpe ausgeschaltet.

In der Praxis bietet jedoch oft ein einziger Schalter die Möglichkeit, die Pumpe ein- und auszuschalten, so dass der zweite Schalter für einen Alarm zur Verfügung steht.

Dieselbe Anordnung kann auch für Füllstandsalarme verwendet werden.

Ein ausgeklügelteres System zur modulierenden Regelung verwendet eine Spule, die um ein Joch in der Kappe gewickelt ist. Wenn sich der Magnet auf und ab bewegt, ändert sich die Induktivität der Spule, wodurch ein analoges Signal an eine Regelung und von dort an das Speisewasserregelventil geliefert wird. Magnetschalter Magnetschalter Edelstahlkappe Magnet Schwimmerstange Schwimmer 

Anwendungen für Schwimmersteuerung

Ob vertikal oder horizontal montiert, erfolgt der Ausgang des Füllstandsignals in der Regel über einen magnetisch betätigten Schalter (Quecksilber- oder „Air-Break“-Typ) oder als modulierendes Signal von einer Induktionsspule aufgrund der Bewegung eines am Schwimmer angebrachten Magneten. In beiden Fällen wirkt der Magnet durch ein nicht magnetisches Edelstahlrohr.

Differenzdruckmessumformer

Der Differenzdruckmessumformer wird mit einer konstanten Wasservorlage auf der einen Seite installiert. Die andere Seite ist so angeordnet, dass sie eine Wasservorlage aufweist, die mit dem Kesselwasserstand variiert.

Zur Messung der Auslenkung einer Membran werden Kapazitäts-, Dehnungsmessstreifen- oder induktive Techniken eingesetzt, aus denen ein elektronisches Füllstandsignal erzeugt wird.

Der Einsatz von Differenzdruckmessumformern ist bei den folgenden Anwendungen üblich:

• Hochdruck-Wasserrohrkessel, bei denen hochwertiges demineralisiertes Wasser verwendet wird.
• Dort wo sehr reines Wasser verwendet wird, z. B. in einem pharmazeutischen Prozess.

Bei diesen Anwendungen ist die Leitfähigkeit des Wassers sehr gering und kann dazu führen, dass Leitfähigkeits- und kapazitive Elektroden nicht zuverlässig funktionieren.