Explosionsschutz in Siloanlagen für Kohle und alternative Brennstoffe

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Zur Sicherstellung von Verbrennungsprozessen in der Industrie für die Wärmegewinnung oder zur Energieversorgung wird die Auswahl von Brennstoffen immer vielfältiger. Damit verbunden ist die Lagerung des Materials in geeigneten Behältern wie Silos. Die Lagerung muss jedoch unter Beachtung des Explosionsschutzes erfolgen und mit einer geeigneten Regelung und Steuerung ausgestattet werden.

Staubexplosionen stellen nach wie vor eine ernst zu nehmende Gefahr dar. Das potentielle Vorhandensein von explosionsfähigen Staub-Luft-Gemischen in verschiedenen Anlagenbereichen ist daher zu vermeiden. Neben konstruktiven Ex­plosionsschutzeinrichtungen und druckstoßfesten Bauweisen gemäß VDI Richtlinie 3673 sind mess- und steuerungstechnische Einrichtungen zum sicheren Betrieb des Silos notwendig (Bild 1). Hierzu gehören vor allem:

CO, CH4 und O2 Analyseeinrichtungen mit beschei­nigter Messfunktion

Temperatursensoren

Kontinuierliche Füllstandsmessung

Füllstandsgrenzmeldungen

Drucksensorik

Abluftfilter mit Reingasklappe

Explosionsklappen mit Endschaltern

Absperreinrichtung am Siloauslauf


Zur Erkennung von Glimmbränden werden hauptsächlich CO- und CH4-Messeinrichtungen eingesetzt. Vernachlässigt wurden bislang Sauerstoffmesseinrichtungen, die den Inertisierungsvorgang überwachen und sicherstellen. Gemäß den Richtlinien (z.B. TRBS 2152, VDI 2263, CEN 15281) ist dies erforderlich, um Sauer­stoffgrenzkonzentrationen im Gefahrenfall für verschiedene Arten von Brennstoffen zu überwachen. Eine Methode zum Monitoring und Einsatz in elektrischen Steuerungen zeigt Bild 2.

Elektrische Steuerungsaufgaben zum vorbeugenden Explosionsschutz und zur Anlagenüberwachung

Zu realisieren ist ein automatisches zentrales Regel- und Steuersystem, das die inerte Atmosphäre in chemischen und physikalischen Prozessen sicherstellt. Die Bedienung und Beobachtung muss automatisch oder manuell über einen Prozess-rechner oder gleichwertige Einrichtungen erfolgen. Dabei sind folgende Einrichtungen im Besonderen zu integrieren:

A: Gasanalysesysteme

B: Temperatursensoren

C: Inertisierungsanlagen

D: Schieber und Klappen

A: Gasanalysensysteme

Die Steuerung (RSC) verarbeitet Signale des Gasanalysesystems (digitale Werte und analoge Werte) und vergleicht diese mit dem vorgegebenen Sicherheitskonzept des Prozesses. Mit den gemessenen Gasbestandteilen werden erforderliche Alarme zur Sicherstellung der inerten Atmosphäre erzeugt. Weiterhin wird die Funktionsfähigkeit des Gasanalysensystems überwacht. Folgende Parameter werden betrachtet:

Minimaltemperatur an der Gasentnahmesonde

Funktion Gasentnahmepumpe

Funktion, Soll- und Istwerte des Gaskühlers

Feuchte des entnommenen Gases vor Analyse

Durchflussüberwachung des kompletten Gasentnahmesystems und Gasaufbereitung

Anzeige der aktuellen Gaswege (bei sequenzieller Messung)

Auto-Kalibrierung oder manuelle Kalibrierung des Analyse- oder Messgerätes

Störung am Analyse- oder Messgerät

Erreichen des digitalen Max-Wertes des Analyse- oder Messgerätes

Erreichen des digitalen Max-Max-Wertes des Ana­lyse- oder Messgerätes

Überwachung des gesamten analogen Messverlaufs



B: Temperatursensoren

Signale von Temperatursensoren (digitale Werte und analoge Werte) müssen verarbeitet und mit dem vorgegebenen Sicherheitskonzept des Prozesses verglichen werden. Mit den gemessenen Temperaturwerten werden erforderliche Alarme zur Vermeidung von Explosionen und Bränden erzeugt. Mit Hilfe der gemessenen Gasbestandteile und Temperaturen muss in der Steuerung (RSC) ein spezielles Verhaltensmuster erzeugt werden, das auf der vom Explosionsschutzkonzept vorgegebenen Sauerstoffgrenzkonzentration (SGK) basiert. Ändert sich die Temperatur im System, so müssen die Sauerstoffgrenzkonzentration (SGK) automatisch angepasst und die Alarmwerte verändert werden. 



C: Inertisierungsanlagen

Die generierten Signale der Analysesysteme und der Temperatursensorik steuern die Inertisierungsanlage an. Bei generierten Alarmen in bestimmten Anlagenteilen müssen an der Inertisierungsanlage Bereichsventile geöffnet, die erforderliche Inertgasmenge dosiert, und nach erfolgter Inertisierung wieder geschlossen werden. Die Steuerung regelt den Prozess und bestätigt eine erfolgreiche Inertisierung. Bei nicht erfolgreicher Inertisierung wird der Vorgang wiederholt und die Dosierung angepasst. Zusätzlich hat die Steuerung eine Überwachungsfunktion für die Inertisierungsanlage im Hinblick auf ihre Betriebsbereitschaft integriert. Folgende Parameter sollen betrachtet werden:

Lagergasmenge (CO2, N2) minimal und maximal (über Gewicht oder Druck, je nach Gastyp)

Druck minimal und maximal

Druck analog

Durchflusskontrolle des Inertgases aus der Inertisierungsanlage

Druckaufbauheizungen

Kühleinrichtung (je nach Tankanlage)

Bereichsventile

Dosierung der Gasmenge je Bereichsventil

D: Schieber und Klappen

Die Steuerung (RSC; Bild 3) muss Signale und Befehle an die Prozessanlage ausgeben und entsprechend des Sicherheitskonzeptes Schieber und Klappen betätigen. Damit wird der Prozess sicher abgeschottet und auch explosive Gasgemische können abgeführt werden.

 

Fazit

Die Anpassung der Sauerstoff- und Kohlenmonoxydgrenzkonzentration in Abhängigkeit der Prozesstemperatur ist erforderlich. Die Auswertung der Messwerte und ein Abgleich mit typischen Prozessverläufen wird sichergestellt. Dadurch ist ein Einschreiten, z.B. das ­Abdichten von Leckagen oder das Verhindern eines weiteren Eintrags von Sauerstoff in die Siloanlage, möglich.

Ein sicheres Umschalten der Siloanlage vom „Automatik Betrieb“ in den „manuellen Betrieb“ in Prozesszustände, wie Probebetrieb, Wartungsbetrieb, Revisionsbetrieb zur Vermeidung von Unfällen, muss sichergestellt sein.

Steuerungen müssen autarke Systemfunktionen bei Ausfall von Mastersystemen übernehmen können:

Die Überwachung sämtlicher systemrelevanter Funktionen der Inertgasanlage mit Dosierstation ist notwendig. Eine exakte Inertgas-Dosierung im Hinblick auf Effektivität und Umwelt und die Kontrolle der Inertgas-Bevorratung und die damit verbundene Sicherstellung der zukünftigen Beschaffung und Lagerung muss beachtet werden.

Die Funktionalität der Anlagenteile soll überwacht werden, relevante Fehler oder Ausfälle müssen zu Alarmen führen. Die automatische Ermittlung der Wartungsintervalle, Wartungstermine und Wartungsarbeiten einzelner Anlagenteile in Abhängigkeit der Betriebsdauer und Betriebshäufigkeit führen zu einer hohen Verfügbarkeit und damit verbunden zu einem sicheren Lagerprozess.

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