Projekt
Da kein Prozessdampf mehr benötigt wird, sollen die Dampfkessel und die gesamte Wärmezentrale von Dampf auf Heisswasser umgebaut werden. Bestehende Installationen werden so gut wie möglich weiter benutzt. Die Wärmezentrale sowie die Abwärmenutzung und die Kesselsteuerung sollen optimiert werden.

A) Umbau der beiden Heizkessel von Dampf auf Heisswasser. Neu eine automatische Anpassung der Kesselleistung an die Abwärmeproduktion des Abhitzekessels respektive an den Wärmebedarf der Fernheizgruppen.

B) Speicher mit angeschlossener Expansionsanlage. Durchfluss- und Temperatur-Sensoren für das Speichermanagement.

C) Ersatz und Optimierung der Regulierung und Steuerung. Sicherheitsintegritätslevel SIL3.

D) Tiefere Temperaturen auf dem Fernwärmenetz und beim Abhitzekessel. Dadurch höhere Wärmeproduktion und tiefere Verluste.

Fernwärmenetz kann optimaler betrieben werden
Die Firma Swiss Steel AG betreibt auf ihrem Aral ein eigenes Heisswasser-Fernwärmenetz mit einer Gesamt-Leitungslänge von 7.5 km. Als Wärmeerzeuger stehen zwei Grosskessel mit je 4MW Leistung und ein Abhitzekessel für die Abwärmenutzung aus dem Walzwerk mit maximal 4MW zur Verfügung.

Vor dem Umbau produzierten die beiden Grosskessel Sattdampf mit einem Druck zwischen 6 und 12 bar. Dieser Sattdampf versorgte den Produktionsteil Stahlbeizerei und erzeugte zudem Heisswasser. Wie üblich in Heisswasser-Dampf-Systemen wurde der Druck des Dampfes auch genutzt, um den Systemdruck zu halten, damit das 150°C bis 180°C heisse Wasser nicht verdampft. Das heisst, sank der Systemdruck, musste mit dem Brenner Dampf zur Druckhaltung im System erzeugt werden. Dies führte dazu, dass die Abwärme aus dem Walzwerk nicht vollumfänglich genutzt werden konnte, weil mit dem Dampf für die Druckhaltung mehr Wärmeenergie als notwendig ins System gebracht wurde.

Umstellung auf Pumpendruckhaltung und Kesselumbau auf Heisswasser
Damit der Systemdruck nicht mehr mit Dampf gehalten werden muss, wurde eine Expansionsanlage mit Pumpendruckhaltung installiert. Der Anlageninhalt des gesamten Heisswassersystems beträgt über 300m3. Die Expansionsanlage besteht aus 10 Behältern mit je 4'000 Liter Inhalt. Diese Behälter nehmen die Wassermenge auf, welche als Ausdehnungsvolumen entsteht.

Obwohl die beiden Grosskessel mit Baujahr 1991 schon einige Jahre alt sind, ist deren Zustand durch eine optimale Betriebsweise und eine gute Instandhaltung noch einwandfrei. Daher entschied sich Swiss Steel, die Kessel von Dampfbetrieb auf Heisswasserbetrieb umzubauen. Zusätzlich erhielt jeder Kessel innen und aussen ein neues kleines Rohrsystem. Dieses Rohrsystem ermöglicht das Aufheizen und Warmhalten des Kessels mit Abwärme vom Abhitzekessels des Walzwerkes; dies ohne zusätzliches Verfeuern von Brennstoff. Je nach Angebot und Temperaturniveau der Abwärme und des Kessels reguliert das System die Warmhalte-Wassermenge und schaltet diese auch automatisch und bedarfsgerecht ein und aus.

Kesselleistung wird laufend an Abwärmeproduktion angepasst
Übliche Kesselsteuerungen für Heisswasserkessel halten eine konstante Kesseltemperatur und schalten den Kessel aus, wenn im ganzen System die Solltemperatur erreicht ist. Hätte man bei Swiss Steel diese normale Regelstrategie gewählt, wäre der Speicher mit Wärme durch Verbrennen von Erdgas geladen worden. Temperaturschwankungen im Heizkessel hätten zu Ein- und Ausschaltungen des Kessels geführt, obwohl dies nicht notwendig wäre. Die Abwärmeproduktion des Abhitzekessels im Walzwerk ist sehr unterschiedlich. Je nach Produktionsvolumen, Stahlsorte, Produktionsunterbrüchen, usw. fallen unterschiedlich nutzbare Abwärmemengen an, welche nicht plan- und direkt vorhersehbar sind. Da aus dem Produktionsprozess möglichst viel Abwärme genutzt werden soll, werden auch Schwankungen der Austrittstemperatur des Abhitzekessels zugelassen.

Diese unterschiedlichen Wärmemengen und Temperaturniveaus müssen in der Wärmezentrale verarbeitet werden können. Die primär mit Gas befeuerten Grosskessel in der Wärmezentrale sollen nur eingeschaltet werden, wenn das Wärmeangebot des Abhitzekessels nicht mehr ausreicht, um die drei Fernheizgruppen mit genügend Wärme zu versorgen. Dieses Ziel wurde folgendermassen erreicht:

Speichermanagement stellt Gleichgewicht her
Ein bestehender Speicher mit einem Inhalt von 150 m3 und einer Höhe von 27m ist in das Regel- und Steuersystem eingebunden. Je nach Ladezustand des Speichers und je nachdem ob der Speicher geladen oder entladen wird, erhöht oder reduziert die Steuerung die Heizkesselleistung. Es stellt sich ein Gleichgewicht zwischen Wärmeerzeuger und Wärmeverbraucher ein. Steht mehr Wärme von der Abwärmenutzung zur Verfügung, reduziert sich die Kesselleistung automatisch oder die Kessel stellen ab.

Gleitende Kessel-Vorlauf und -Rücklauftemperatur
Übliche Kesselsteuerungen für Heisswasserkessel regulieren eine konstante Vorlauftemperatur (Kesselaustritt) und auch eine konstante Rücklauftemperatur (Kesseleintritt). Bei Swiss Steel wurde eine Lösung gewählt, bei der die Kesselaustrittstemperatur je nach Aussentemperatur verändert wird. Der Sollwert der Kesseleintrittstemperatur ist abhängig vom Sollwert der Austrittstemperatur und damit ebenfalls variabel. Somit wird der Heisswasserkessel nur so stark erwärmt, wie notwendig. Bei 15m3 Wasserinhalt pro Kessel kann, wenn Bedarf vorhanden ist, schneller Wärme an das System abgegeben werden.

Einschalt-Häufigkeit massiv reduziert
Vor dem Umbau und vor Ergreifung von ersten Massnahmen, schaltete der Brenner teilweise alle 30 Minuten für ca. 15 Minuten ein, damit der Dampfdruck im Heisswassersystem gehalten werden konnte. Übliche Kesselsteuerungen schalten den Brenner ein, wenn die Kesseltemperatur unter den definierten Schaltpunkt sinkt. Bei Swiss Steel schalten die Brenner ein, wenn nicht genügend Abwärme aus dem Abhitzekessel vorhanden ist. Dies führt dazu, dass in der Übergangszeit (Herbst, Frühjahr) der Brenner, trotz Wärmebedarf der Fernheizgruppen, häufig während Tagen nicht mehr einschaltet. Eine massive Reduktion der Einschalthäufigkeit und der damit verbundenen Verluste ist das erwünschte Resultat.

Kesselsicherheit nach der neusten Normen mit SIL
Für Grosswasserraumkessel gilt in Europa und in der Schweiz die Norm EN12953. Für die Anforderungen an die Ausrüstung für den Kessel wurden bei diesem Umbau die Norm EN 12953-6 als neuste und aktuellste Norm verwendet. Diese Norm besagt: "Für jede Begrenzungseinrichtungsfunktion müssen eine Gefährdungsanalyse durchgeführt und angemessene Stufen der funktionalen Sicherheit (SIL) eingerichtet werden." Der durch die Risikoanalyse festgelegte Sicherheits-Integritäts-Level beträgt für bestimmte Begrenzungsfunktionen bis SIL3. Diese SIL-Stufe muss von der ganzen Sicherheitskette vom Sensor über die SPS-Eingangsmodule, der CPU bis zur Brennersteuerung erfüllt sein. Als Resultat ergibt sich für den Betreiber eine Betriebsweise, welche es ihm erlaubt, die Kesselanlage mit einer maximalen Betriebsdauer ohne manuellen (menschlichen) Eingriff von 72h zu betreiben ("BOSB 72"). Die Begrenzereinrichtungen sind redundant sowie gegenseitig überwachend ausgeführt.

Sicherheitsrelevanter Datenaustausch über Ethernet / Profinet
Sicherheitsrelevante Signale werden heute häufig über Hardwarekontakte übertragen und mit Sicherheitsrelais ausgewertet. Damit der Hardware- und Verdrahtungsaufwand verringert werden kann, wurden an Stelle von Hardware- und Relaiskontakten Sicherheits-SPS eingesetzt. Diese drei fehlersicheren SPS der beiden Kesselsteuerungen und des Speichermanagements kommunizieren über das bestehende Ethernet Netzwerk von Swiss Steel. Der Einsatz des Profisafe Protokolls gewährleistet die fehlersichere Kommunikation zwischen den CPU's mit dem geforderte Si-cherheitsintegritätslevel SIL 3.

Intervall für Funktionskontrollen der Kessselsicherheit konnte verlängert werden
Die Betreiber von Heisswasser-Kesseln müssen die Sicherheitsfunktionen der Kessel im Rahmen von Funktionskontrollen regelmässig überprüfen. Bei bisherigen Kesselschutzsystemen ist der Betreiber verpflichtet, diese Funktionsprüfungen, je nach Gestaltung des Systems, alle paar Tage durchzuführen. Die neue Norm EN 12953-6 erlaubt es nun, in Anwendung der EN61511, die Gestaltung des Sicherheitssystems und die Intervalle aufeinander abzustimmen. So erreichte man bei Swiss Steel, dass die Funktionskontrollen nicht mehr alle paar Tage, sondern nur noch alle 6 Monate durchgeführt werden müssen. Die Heizwerkführer erhalten detaillierte und leicht verständliche Anweisungen für die Prüfungen. Die Funktionsprüfungen werden echt ausgeführt, z.B. durch das Erwärmen der Temperatursensoren. Auch redundante, sich gegenseitig überwachende Sensoren, können einfach überprüft werden. Während der Inbetriebsetzung, sowie vor und nach der Abnahme durch den SVTI wurde das Bedienpersonal geschult und an der neuen Anlage ausgebildet.

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Dieser Artikel über das Projekt "Umbau einer Wärmezentrale von Damf auf Heisswasser" ist eine Information über die Tätigkeit des Ingenieurbüro Dolder.

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Stichworte zu diesem Artikel:
Dampf, Heisswasser, Wärmezentrale, Fernwärme, SIL, Kesselsicherheit