Der In-Situ O2-Messumformer Oxymitter ist das erste Messgerät, das auf dem Prinzip der O2-Messung mit einer ZrO2-Zelle basiert. In einem kompakten Gerät vereint er alle modernen Technologien wie austauschbare Messzelle, μP-gesteuerte Signalauswertung und Signalüberwachung sowie die Kommunikation mit übergeordneten Systemen über das Hart-Protokoll oder den Foundation Fieldbus.

Er ist ideal geeignet für Kesselanlagen, Prozessheizer, Brennöfen und Nachverbrennungsanlagen. Der Oxymitter ist als kompaktes Gerät oder in getrennt montierbaren Modulen lieferbar, verfügt über TÜV-Zulassungen und ist nach MCERTS zertifiziert. Der Oxymitter (Abb. 1) von Emerson Process Management, der weltweit erste In-Situ O2-Messumformer mit einer galvanischen Sauerstoff-Konzentrationszelle auf Basis von yttriumstabilisiertem Zirkoniumoxid als Oxidionenleiter, ist in vielen industriellen Anwendungen im Einsatz.

Er wird in den meisten Fällen dazu genutzt, das Luft/Brennstoffverhältnis in Kesselanlagen auf Basis fossiler Brennstoffe optimal einzustellen und dadurch Brennstoffe einzusparen und/oder die Stickoxidemission deutlich zu verringern. So tragen sie zum effizienten Betrieb eines 28 MW Blockheizkraftwerkes der RWE npower (Abb.2) in Barry, Süd-Wales, bei. Diese moderne Anlage mit Kraft-Wärme-Kopplung beliefert eine benachbarte Produktionsanlage mit Elektrizität, Dampf und aufbereitetem Prozesswasser.

Die genaue Überwachung der Sauerstoff-Konzentration im Rauchgas durch die Oxymitter stellt sicher, dass die Gesamteffizienz des Blockheizkraftwerkes ständig bei etwa 75 % liegt und dadurch wesentlich weniger fossile Brennstoffe verbraucht als Anlagen, die Wärme und Strom auf konventionelle Art erzeugen.

Geräte zur Flüssigkeitsanalyse von Emerson Process Management sind bei RWE npower bereits seit längerer Zeit zur Überwachung von Speise- und Prozesswasser im Einsatz.

Die In-Situ O2-Messumformer der Baureihe Oxymitter werden direkt im heißen Rauchgasstrom eingesetzt und dienen zur Optimierung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses der Brenner, wodurch sich die Effizienz der Anlage erhöhte und der NOx-Ausstoß reduziert wurde. In dieser Anwendung kommt der In-Situ O2-Messumformer Oxymitter mit zweigeteilter Architektur zum Einsatz.

Die Sonde wurde dabei direkt in den heißen Rauchgasstrom eingebaut. Die zugehörige Bedien und Anzeigeelektronik kann bis zu 60 m entfernt von der Sonde montiert werden, was den Zugang und die Bedienbarkeit vor Ort für das Personal deutlich vereinfacht.

Katalysatorregeneration - Einsatz in einer Raffinerie

In der Total-Raffinerie in Antwerpen, der zweitgrößten Raffinerie Europas mit einer täglichen Verarbeitung von 360.000 Barrel Rohöl, werden die In-Situ O2-Messumformer Oxymitter zur Überwachung der Regeneration von Katalysatoren eingesetzt, die zur Erhöhung der Oktanzahl der Kraftstofffraktion dienen.

Im Laufe der Zeit lagert sich auf den Katalysatoren Kohlenstoff aus dem Prozess ab. Ein Teil der Katalysatoren wird daher kontinuierlich abgezogen und der Regeneration zugeführt.

Bei dieser Regeneration wird der Kohlenstoff durch das Verbrennen mit Luftüberschuss entfernt. Die sehr zuverlässigen Messwerte des Oxymitters haben die Effizienz des kontinuierlichen Regenerationsprozesses verbessert, die Sicherheit der Anlage erhöht, die Wartungszeiten verkürzt sowie den Aufwand für den Betrieb des Katalysators reduziert.

Die Messung des Sauerstoffs im Regenerator liefert wichtige Daten für die Abbrennrate des Kohlenstoffs und die Effizienz der Regeneration.

Der Oxymitter bestimmt die Sauerstoff- Konzentration direkt im Reaktorabgas, wodurch sonst übliche Probleme einer extraktiven Sauerstoff- Messung, wie das Verstopfen der Entnahmesonden und das Anfallen aggressiven Kondensats, der Vergangenheit angehören.

Das Bedienpersonal kann die Regeneration jetzt kontinuierlich betreiben. Darüber hinaus gibt die zuverlässige und genaue Messung der Sauerstoff-Konzentration mit dem Oxymitter dem Betreiber die notwendige Sicherheit, um die Regenerationsanlage mit maximaler Effizienz zu fahren.

In dieser Anwendung kommt eine Variante des Oxymitters zum Einsatz, die den Betrieb bei einem Prozessdruck von zwei bar im Regenerator erlaubt. Mit den durch das HART-Protokoll übertragenen Diagnoseinformationen über den Gerätezustand kann das Betriebspersonal der Total-Raffinerie eine vorbeugende Instandhaltung des Messsystems planen und so die Gesamtzuverlässigkeit verbessern.

Hochtemperatur-Variante in der Metallerzeugung

Neben der Hochdruckvariante steht auch eine Hochtemperatur-Version des Oxymitters zur Verfügung, mit der beispielsweise die genaue Sauerstoff- Messung während des Anlassprozesses von kalt gewalztem Metall möglich ist.

Beim Anlassen wird das Metall auf eine Temperatur aufgeheizt, bei der sich die Kristalle restrukturieren; dieser Vorgang baut Spannungen im Metallgitter ab und erzielt bessere Gebrauchseigenschaften.

Durch die hochgenaue Sauerstoff-Messung des Oxymitters ist der Anlagenbetreiber in der Lage, den Restsauerstoff im Abgas der Feuerung auf möglichst niedrigen Wert einzustellen (typisch sind 0,05 bis 0,1 Vol. %), um eine Oxidation des Materials zu verhindern.

Die separat montierbare Elektronik des Oxymitters gestattet dem Anwender mehr Flexibilität für solche Installationen, bei denen die Temperaturen unmittelbar an der Einbaustelle der Sonde für die Elektronik zu hoch sind.

Kombiniert mit den Möglichkeiten der digitalen PlantWeb Anlagenarchitektur von Emersin können Anwender die In-Situ O2-Messeinrichtungen in ihre Wartungsstrategien einbinden und somit die Leistungsdaten der Anlagen verbessern.

Diagnosefunktionen des Oxymitters

Über das Hart-Protokoll stellt der Oxymitter neben der Prozessvariablen, der O2-Konzentration, weitere Diagnosewerte des Messumformers zur Verfügung.

Er kann dadurch auf einfache Weise in vorbeugende Instandhaltungsstrategien eingebunden werden und dadurch helfen, die Anlagenverfügbarkeit zu steigern und die Instandhaltungskosten zu senken.

Auch Systemdiagnosen und Kalibrierungen können über Hart mittels eines Handterminals oder eines Computers mit der Software AMS-Suite (Intelligent Device Manager) vorgenommen werden.

Um unnötigen Kalibrierungen des Oxymitters zu vermeiden, verfügt dieser Messumformer über eine Diagnosefunktion, die den Zustand der Kalibrierparameter kontinuierlich überwacht. Über die Systemdiagnose wird einmal pro Stunde eine Messung des Zellenwiderstandes angestoßen und mit dessen Hilfe die Drift und Kontamination der Messzelle ermittelt.

Das System signalisiert dem Anwender die unmittelbare Notwendigkeit einer Kalibrierung bzw. führt diese eigenständig aus, wenn ein automatisches Kalibriersystem angeschlossen ist.

Die selbstauslösenden Autokalibriersysteme SPS 4001B, IMPS 4000 und MPS 3000 für In-Situ O2-Messumformer und Analysatoren stellen sicher, dass die O2-Messung immer innerhalb der zulässigen Toleranzen liegt, ohne dass der Kalibriervorgang manuell angestoßen werden muss.

Sie bewahren die Instandhaltungstechniker vor Wartezeiten und ermöglichen einen Betrieb höchster Effizienz. Der Oxymitter kann komplett im Feld repariert werden. Alle Teile sind innerhalb kurzer Zeit austauschbar.

Weitere Einsatzbereiche

Die meisten existierenden In-Situ Sauerstoff-Messungen lassen sich durch die Verwendung des Oxymitter auf einen modernen Stand bringen. Der Oxymitter ist die ideale Alternative für industrielle Verbrennungsanlagen zur Erzeugung von Energie und Dampf, für Cracker und Destillationskolonnen sowie für Müllverbrennungs- und Wärmebehandlungsöfen.

Er ist in Einbaulängen von 0,45 m bis zu 3,6 m verfügbar. Ein umfangreiches Zubehörprogramm für Anwendungen unter hohen Temperaturen und die automatische Kalibrierung machen den Oxymitter für jede industrielle Anwendung einsetzbar.