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	___________________________________________________ Erfahrungen mit optimierter Prozessführung durch Echtzeit - Brennwertmessung
	*Einleitung* In der Ausgabe 4/2005 wurde ein neuartiges Gerät zur Erkennung von Erdgasbeschaffenheiten vorgestellt. Die exakte Erkennung der Gasbeschaffenheit spielt heute in vielen Anwendungsbereichen eine wichtige Rolle, vor allem beim industriellen Erdgaseinsatz. Der Energiegehalt der verwendeten Gase bestimmt die Brenneigenschaften im Prozess und zeichnet somit verantwortlich für als wesentlicher Parameter für die Prozessführung.
	Die Liberalisierung des Erdgasmarktes stellt in diesem Zusammenhang eine besondere Herausforderung dar. Die Gasversorger müssen heute bereits große Anstrengungen unternehmen, um ihren Kunden eine möglichst konstante Gasbeschaffenheit anbieten zu können und für viele Anwendungsbereiche ist eine kontinuierliche und zeitnahe Überwachung der Gasbeschaffenheit nahezu unverzichtbar. Der Gas Property Identifier , GPI von Brooks Instrument hatte bereits lange vor seiner Markteinführung im November 2004 bei vielfältigen Dauertests seine Eignung für den Alltagsbetrieb unter Beweis stellen müssen. Zwischenzeitlich hat das Gerät sich im Betriebsalltag bewährt und wir möchten über einige Erfahrungen aus verschiedenen Anwendungsbereichen berichten. *Aufgabenstellung* Erdgas gehört ja bekanntlich zu der Gruppe der fossilen Brennstoffe und wird an zahlreichen Lagerstätten der Erde gewonnen. Abhängig von der örtlichen Entstehungsgeschichte ändert sich die Zusammensetzung der Erdgases. Hauptbestandteil aller Erdgase ist Methan; daneben können diese höhere gasförmige Kohlenwasserstoffe /Ethan, Propan, usw.) enthalten, aber auch inerte Gase wie Stickstoff und Kohlendioxid. Die Beschaffung von Erdgas, als Naturprodukt, ist abhängig von den Bedingungen der Förder- und Lagerstätten. Außerdem wird in den Verteilungsnetzen der Gasversorger bereits ein Gasgemisch unterschiedlichster Herkunft, z. B. H-Gas aus Russland, Nordseegas usw. transportiert. Um die Beeinflussung der nachgeschalteten Prozesse so gering wie möglich zu halten ist es für den industriellen Endkunden erforderlich, bei Abnahme von Erdgas aus verschiedenen Netzen, die Einspeisung über eine kontrollierte Zumischung zu gewährleisten. Jede Änderung der Gaszusammensetzung wirkt sich direkt auf die Brenngasqualität aus. Schwankungen der Brenngasqualität führen bei der Verbrennung im allgemeinen zu einer Verschlechterung der Verbrennungsergebnisses hinsichtlich Energieausnutzung und Emissionen, falls sie nicht in der Gas/ Luft-Verhältnisregelung berücksichtigt werden. Zusätzlich können bei sensiblen Prozessen, wie z. B. bei der Wärmebehandlung von Metallen, unerwünschte Temperatur- und Konzentrationsschwankungen auftreten, die zu einer Qualitätsminderung des Produktes führen können. Zur Berücksichtigung dieser Schwankungen in der Regelung von Feuerungsanlagen istdie kontinuierliche, schnelle und genaue messtechnische Erfassung der Brenngasqualität eine notwendige Voraussetzung. Der Wobbeindex findet häufig als Führungsgröße für sogenannte Wärmemengenregelungen Anwendung. Heizwert, Mindestluftbedarf und Dichte sind im reinen physikalischen Sinne zwar unabhängig voneinander, im Bereich der technisch relevanten Brenngase kann der Heizwert aber als Funktion von Dichte und Mindestluftbedarf mittels einer empirischen Korrelation beschrieben werden. Auswirkungen auf Prozessführung, Qualitätssteigerung, Wirtschaftlichkeit Wechselnde Erdgasbeschaffenheiten wirken sich kritisch auf die Reproduzierbarkeit und auf die Qualität des Prozesses aus und haben maßgeblichen Einfluss auf die Standzeit von Betriebsmitteln. Die Messungen der Gasbeschaffenheit eröffnen die Möglichkeit, den Einfluss veränderlicher Gasbeschaffenheiten auszugleichen, und kann auf diese Weise z.B. bei gasbefeuerten Prozessen zur Verbesserung der Prozess- und Produktqualität beitragen. Erdgas nimmt in immer mehr industriellen Produktsprozessen eine wichtige Rolle als Energieträger ein. Dort wo hochkonstante Verbrennungseigenschaften gefordert sind, wurden bisher typischerweise Messsysteme verwendet, welche den Aufwand für den Einsatz von Erdgas erhöhten. Auf der anderen Seite gibt es auch Verbrennungsprozesse, die derzeit mit homogenen Brenngasen aus Flaschen oder Tanks arbeiten, sich aber bei einer wirtschaftlichen Technik zur Anpassung an veränderliche Gasbeschaffenheiten gut auf Erdgas umstellen lassen. Der Gas Property Identifier hat Anwendungsbereiche erschlossen, die durch die Echtzeit-Brennwertmessung eine erhebliche Steigerung der Wirtschaftlichkeit erzielt haben.
	Leistungsregelung eines BHKW bei den Stadtwerken Burg GmbH (Herr Hellfried Kirchner)
			Bild 2 (Deutz TBG620)
	Die Stadtwerke Burg GmbH (SWB) hatte seit 08/2004 extrem schwankende Wirkungsgrade im BHKW-Betrieb zu verzeichnen (bis zu minus 6%), deren Ursache erst einmal unklar blieb. Bis zu diesem Zeitpunkt gab es keinerlei Beanstandungen der Gasbeschaffenheit (Brennwert, Wobbe-Index und Methanzahl) für den BHKW-Betrieb. Im Leistungsverhalten der 4 Stück Gas-Otto-Motoren (Fabrikat: DEUTZ ; Typ: TBG 620 V16K) waren keine Probleme nachweisbar und erkennbar. Also kam man letztlich zu dem Schluss, dass offensichtliche eine schwankende Erdgasbeschaffenheitie Ursache sein muss. Keiner der Gaslieferanten wollte jedoch die vermuteten Schwankungen in der Gasbeschaffenheit verbindlich bestätigen, da man selber nur Gaskontingente durchleitet. Die Vorversorger bieten nur Monatsmittelwerte, die für den Zweck einer zeitnahen Regelung nur wenig aussagefähig sind und im Regelfall unter anderen Verhältnissen erfasst werden. Die Problematik einer hinreichend genauen Messung am Einsatzort bestand bisher maßgeblich in den damit verbundenen Kosten. Durch eine Veröffentlichung der E.ON-RUHRGAS AG in dem Kundenmagazin aus den Jahr 2003 wurde der man bei den SWB auf die Entwicklung des GPI aufmerksam und der Kontakt zur Westphal Mess-und Regeltechnik GmbH war schell hergestellt. Die kompetente Beratung und unkomplizierte technische Unterstützung haben den reibungslosen Ablauf begleitet. Der Einbauort des GPI ist die direkte Erdgaszuleitung zur BHKW-Anlage (3,5 bar).
			Bild 3 (Installation SWB)
	Das Gerät sollte jederzeit zugänglich sein und es wurde weiterhin ein Methanzahl Controller installiert um rechtzeitig eine s.g. klopfende Verbrennung anhand der Methanzahl in den Gas-Otto-Motoren erkennen zu können. Seit September 2005 ist der GPI im ununterbrochenem Betrieb und misst Brennwert und Wobbe-Index. Die Ergebnisse sind zuverlässig und plausibel. Die Messdaten werden permanent aufgezeichnet und gelangen in die Auswertung (Tages- und Monatskurven). Veränderungen in der Gasbeschaffenheit werden sofort als solche bemerkt und das Betriebspersonal kann den Betriebsablauf unter diesem Gesichtspunkt zuverlässig bewerten und steht nicht vor dem Problem der unklaren Ursachenforschung. Durch den Einsatz des GPI und des Methanzahl-Controllers konnte der Kunde auf die Anschaffung einer Antiklopfregelung im Wert von rund 35.000,-€ pro Motor verzichten. Als Betriebsmessung liefert der GPI nach der Kundenerfahrung zu einem attraktiven Preis-/ Leistungsverhältnis sehr zuverlässige Werte und ist nach Auffassung der SWB für die qualitative Beurteilung des Ablaufes eines technologischen Prozesses bei dem der Brennstoff Erdgas zum Einsatz kommt oder gar eine tragende Rolle hat, ein unbedingtes . Luft-Gas-Konditionierung, Gaz de France Produktion Exploration Deutschland GmbH (Herr Peter Schmalfuss) An der Gasförderstätte Oelheim Süd bei Peine wurde der GPI zur Überprüfung der Einsetzbarkeit parallel zu einem geeichten Analysegerät nach traditionellem Funktionsprinzip installiert. Im Dauerbetrieb konnten die Messergebnisse des GPI durch den geeichten Analysator verifiziert werden. Das Foto zeigt den GPI zusammen mit dem mechanischen Vordruckregler und einer elektrischen Heizung zum Schutz vor Temperaturen unter 0°C in einem Ex-Schutzkasten.
			Bild 4 (Installation GdF)
	Der GPI wurde mittels einer 6mm-Probengasleitung direkt mit der Erdgasleitung verbunden. Der geringe Probengasstrom erfordert für die optimale Arbeitsweise des Gerätes möglichst kurze Leistungswege, damit keine zeitlichen Verzögerungen zwischen der Beschaffenheitsänderung in der Leitung und der Erkennung durch den GPI entsteht. In dieser Anwendung liegt die Aufgabenstellung darin, den hohen Brennwert des geförderten Erdgases für die Lieferung an die regionalen Versorgungsbetriebe durch die Beimischung von Luft auf einen stabilen Brennwert von 9 kWh/Nm³ zu konditionieren. Der Dauerbetrieb des GPI hat gezeigt, dass das Gerät in dieser Applikation erhebliche Vorteile bietet. Neben der kontinuierlichen Messung in Echtzeit bietet der GPI maßgeblich Vorteile in seiner Wirtschaftlichkeit. Der wesentlich geringere Anschaffungspreis und der wartungsfreie Betrieb erlauben den Einsatz des Gerätes an Stellen, bei denen bisher eine betriebsmäßige Erfassung des Brennwertes als unwirtschaftlich eingestuft werden musste. Leistungsregelung von Erdgas-Brennstoffzellen, MTU-CFC Solutions GmbH (Herr Dipl. Ing. Johann Huber)
			Bild 5 (MTU-CFC hotmodule)
	Die von MTU-CFC Solutions entwickelten Brennstoffzellen des Typs hotmodule zeichnen sich durch vielfältige Einsatzmöglichkeiten aus. Bei der Entwicklungsarbeit wurde vorrangig auf maximalen Wirkungsgrad und hohe Lebensdauer Wert gelegt. In der Vergangenheit wurde die Leistungsregelung der Brennstoffzellen im Prüffeld auf Basis der vorliegenden Analysedaten des anliegenden Erdgases vorgenommen. Hierzu wurden sowohl die Informationen als auch eigene Analysen mittels Gaschromatograph herangezogen. Für den Betriebsalltag im Kundeneinsatz ist der Einsatz eines Gaschromatographen jedoch wirtschaftlich nicht zu vertreten und die Kundeninformationen über die Gasbeschaffenheiten der Versorger eignen sich nicht für eine zeitnahe Nutzung bei der Leistungsregelung. Durch den Einsatz des GPI ist nun eine Leistungsregelung auf das Wasserstoff-Äquivalent in Echtzeit möglich. Das GPI-Ausgangssignal wird somit zur Führungsgröße für die mit thermischen Massedurchflussreglern realisierte Durchflussregelung. Neben einem optimalen Wirkungsgrad lässt sich somit auch eine wesentliche Absicherung der Lebensdauer der Brennstoffzelle erzielen. Die sonst durch eine Überlastung der Zelle entstehende Oxidation der Anode, kann durch eine rechtzeitige Leistungsregelung und somit Anpassung an den aktuellen Brennwert des Erdgases sicher verhindert werden. Das Foto zeigt das Gaspanel in der Maschinenhalle bei MTU-CFC Solutions in Ottobrunn. Verschiedene Brooks Massedurchflussregler sind hier für die Zuführung der Prozessgase bei der Konditionierung von neuen hotmodulen im Einsatz.
			Bild 6 (MTU-CFC Gaspanel)
	Neben Erdgas sind die MTU hotmodule auch für den Einsatz mit Biogasen konzipiert. Derzeit sind Versuche in Vorbereitung den Gas Property Identifier für diesen Anwendungsbereich zu testen. Thermoprozessanlage eines Kunden der Verbundnetz Gas AG, Leipzig (Herr Dr. Stephan Krein)
			Bild 7 (Industrieofen)
	Die VNG – Verbundnetz Gas AG hat nach eingehenden Laboruntersuchungen ein GPI bei einem Industriekunden eingesetzt, um Erfahrungen unter realen Prozessbedingungen zu sammeln. Gerade die unterschiedlichen Temperaturen in einer Ofenhalle, die mit einer hohen Belastung an Staub und Feuchte verbunden sein können, stellen höchste Anforderungen an die Messtechnik. Auch schwierige Umgebungsbedingungen dürfen keinen Einfluss auf Messgenauigkeit und Reproduzierbarkeit haben. Der GPI wurde direkt neben der Thermoprozessanlage installiert und arbeitet trotz schwieriger Umgebungsbedingungen problemlos.
			Bild 8 (Installation Thermoprozessanlage VNG)
	Hauptziel des Einsatzes war es, den Verbrennungsprozess einer Thermoprozessanlage zu optimieren und den Restsauerstoffgehalt der Ofenatmosphäre zu begrenzen. Mit Hilfe des GPI gelang es, auch bei wechselnder Gasbeschaffenheit eine gleich bleibende Verbrennungsgüte zu gewährleisten. Die Minimierung des Restsauerstoffgehaltes führte zu einer messbaren Verringerung des Zunderanfalls und damit zu einer verbesserten, gleichmäßigen Produktqualität. Die Erfahrungen verdeutlichen, dass die geringe Größe des GPI, die einfache Installation sowie die geringen Anforderungen an die Umgebung (Temperatur, Staub, Feuchte) das Gerät für einen Industrieeinsatz prädestinieren. Geringe Ansprechzeit, gute Reproduzierbarkeit des Messwerte, Langzeitstabilität und eine ausreichende Genauigkeit sprechen für den GPI. Das Gerät bietet sich vor allem für solche Thermoprozessanlagen an, die sensibel auf wechselnde Gasbeschaffenheiten reagieren und bestimmte Prozessbedingungen einhalten müssen. Aber auch weniger sensible Anlagen können von einer exakten Steuerung des Verbrennungsvorgangs profitieren, beispielsweise durch die Verringerung des Luftverhältnisses um den Energieeinsatz zu reduzieren. Institut für ZukunftsEnergieSysteme (IZES gGmbH) an der HTW Saarbrücken (Herr Michael Mahler) Die IZES gGmbH betreibt einen Prüfstand für Wärmeerzeuger und BHKW und setzt den GPI zur kontinuierlichen Brennwertmessung ein. Für die Gasverbrauchserfassung der Prüflinge werden Brooks Massedurchflussmesser eingesetzt. Sämtliche Messungen werden durch den Einsatz alternativer Messmethoden verifiziert, damit eine höchstmögliche Sicherheit der Prüfstandergebnisse erzielt werden kann.
			Bild 9 (Installation IZES)
	n diesem Prüfstand werden Leistungstests sowie Dauertests an Prototypen und marktreifen gasbetriebenen Geräten für den Industrie- und Privatkundenbereich durchgeführt. Neben Erdgas können die Prüflinge auch mit Grubengasen getestet werden. Die Tests laufen zum Teil vollautomatisiert ab. Der GPI wird hier neben thermischen Massendurchflussmessern zur Bestimmung der Brennstoffenergiemenge eingesetzt. Als herausragende Eigenschaften des GPI sind hier die schnelle Messung quasi in Echtzeit und die direkte Anschlussmöglichkeit an die Messdatenerfassung zu nennen. Theorie/ Messprinzip Ein Sensor erfasst die spezifische Wärme eines genau definierten, konstant gehaltenen Gasvolumenstroms und wandelt sie in ein elektrisches Ausgangssignal um, das direkt auf die Regelung übertragen werden kann. Im Vergleich zur Prozessregelung mittels Temperaturmessung zeigt der Gasbeschaffenheitssensor Veränderungen der Erdgasbeschaffenheit in Echtzeit an. Die Ansprechzeit beträgt ca. 10 Sekunden. Entgegen traditioneller volumetrischer Messsysteme, nutzen thermische Systeme die spezifische Wärmekapazität/ Wärmeleitfähigkeit ihres Mediums zur Ermittlung des Medienstromes. Der Vorteil dieser Technologie ist die geringfügige Beeinflussung der Messung durch prozessbedingte Druck- und Temperaturschwankungen. Diese Tatsache ermöglicht in der alltäglichen Anwendung eine sichere Messung von Durchflüssen über ein weites Spektrum von möglichen Prozessbedingungen.
			Bild 10, schematischer Aufbau Massedurchflussmesser
	Die in der Mitte der Bypassleitung befindliche Heizwicklung erhält aus einer stabilisierten Gleichstromquelle einen konstanten Heizstrom. Jeweils vor und hinter dieser Wärmequelle befinden sich Widerstandstemperatursensoren. Bei nicht durchflossenem Messelement registrieren die Temperatursensoren annähernd gleiche Werte. Sobald nun ein Medium fließt, entsteht eine Temperaturdifferenz (T2 > T1). Nach dem Gesetz von Fourier ist die Temperaturdifferenz (T2 – T1) proportional dem Energiefluss und damit dem Massefluss multipliziert mit der spezifischen Wärme. Da die spezifische Wärme eines konstanten Mediums als konstant angenommen werden darf, ist der Massefluss direkt proportional der Temperaturdifferenz (T2 – T1). Diese Eigenschaften des Messsystems haben zu eine Vielzahl von Anwendungen und einer großen Verbreitung dieser Technik in der Prozesswelt geführt. Die revolutionäre Idee für die Erfindung des Gasbeschaffenheitssensors bestand nun darin, eine Schwachstelle dieser Messtechnik, nämlich die Abhängigkeit der Messgenauigkeit von der konstanten spezifischen Wärmekapazität eines Mediums, zu nutzen um hieraus eine Veränderung des Mediums abzuleiten. Man erreicht dies, indem man den Volumenstrom durch den Sensor konstant hält. Bei einer Änderung des Messsignals ist dann davon auszugehen, dass sich die Wärmekapazität verändert hat. Unterschiedliche Erdgasbeschaffenheiten, mit geänderten spezifischen Wärmekapazitäten, lassen so unmittelbar Rückschlüsse auf die jeweiligen Brenneigenschaften des Erdgases (Brennwert, Wobbeindex und Luftbedarf) zu.
			Bild 11, schematischer Aufbau GasPropertyIdentifier
	Das Gerät bietet die Ausgangssignale als linearisiertes Stromsignal mit 4...20 mA für den Brennwert und/ oder den Wobbeindex an. Fazit Die in der Theorie gesehenen Vorteile dieser Messtechnik haben sich in der alltäglichen Anwendung bestätigen können. In vielseitigen Anwendungsbereichen hat der GPI bewiesen, dass eine Prozessführung über den Brennwert in Echtzeit mit erheblichen Vorteilen für Qualität und Wirtschaftlichkeit in Prozessen unter Verwendung von Erdgas als Energieträger verbunden ist. Die fortschreitende Liberalisierung des Gasmarktes und die Nutzung alternativer Energiequellen, wie z.B. Deponiegas, Klärgas und anderer Biogase, werden den Bedarf an wirtschaftlicher Gasbeschaffenheitserkennung weiter erhöhen. Der Gas Property Identifier von Brooks Instrument hat eindrucksvoll unter Beweis gestellt, dass sich auch kostengünstige Alternativen zu traditionellen Messprinzipien durch Zuverlässigkeit und Leistungsfähigkeit auszeichnen können. Autor: Michael Rösener WESTPHAL GmbH, Haan Brooks Instrument Vertrieb Tel.: 02129-37532-00