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Oct 30, 2023

Bewältigung der Herausforderungen bei der Füllstandmessung in Kalkverarbeitungsanlagen

Kurt Gieselman, leitender Außendienstspezialist, Rosemount-Messprodukte bei Emerson | 20. Mai 2021 Für Hersteller von Kalk-, Kalkstein- und Tonprodukten ist Automatisierung der Schlüssel zu einer kontinuierlichen Produktion.

Kurt Gieselman, leitender Außendienstspezialist, Rosemount-Messprodukte bei Emerson | 20. Mai 2021

Für Hersteller von Kalk-, Kalkstein- und Tonprodukten ist die Automatisierung der Schlüssel zu einer kontinuierlichen Produktion. Eine Reihe von Instrumenten werden verwendet, um die sichere Herstellung verschiedener Produkte zu unterstützen und genaue Bestandsmessungen in jeder Phase des Prozesses zu ermöglichen, vom Eingang der Materialien in die Anlage bis zum Versand der Endprodukte. In den meisten Werken kommen verschiedene Produktionstechniken zum Einsatz, bei denen die Produkte zerkleinert, zu Pulver gemahlen und in einem Ofen erhitzt werden, um Kalkhydrat herzustellen. Aufgrund der beteiligten Prozesse und der Beschaffenheit der Produkte herrschen in der Anlage raue Bedingungen. Dies schafft ein herausforderndes Umfeld für die Automatisierungstechnik.

Im Allgemeinen besteht die größte Herausforderung für Instrumentenhersteller darin, zuverlässige und genaue Füllstandmessungen fester Materialien zu erhalten. Dazu gehört die Messung des zerkleinerten und pulverisierten Kalksteins, der Kohle in Silos, die die Öfen beschicken, und des gelöschten Kalks während der Produktion. Alle diese Anwendungen unterliegen aufgrund des Gewichtes des Materials, des Staubs und des geringen Reflexionsvermögens der Oberfläche anspruchsvollen Betriebsbedingungen.

In einer großen Kalkverarbeitungsanlage in den USA hatte das Produktionsteam verschiedene Füllstandmesstechnologien zur Messung von Feststoffen mit unterschiedlichem Erfolg ausprobiert. Wenn ein Gerät in der Lage wäre, eine Messung durchzuführen, wäre die nächste Frage, wie das Gerät unter Betriebsbedingungen aufrechterhalten werden kann, in denen Staub, schwere Materialien und Vibrationen häufig vorkommen. Die korrekte Installation war ein wesentlicher Bestandteil einer erfolgreichen Messlösung.

Bei der ersten Anwendung im Werk handelte es sich um einen Kalkhydrat-Auffangbehälter, in dem das fertige Produkt den Behälter durchläuft, bevor es in große Lagersilos gefördert wird. Sie wollten eine Förderschnecke betreiben, um das Material mit gleichmäßiger Geschwindigkeit aus dem Zwischenbehälter zu befördern. Hierzu war eine optimale Nivellierhöhe erforderlich, doch eine stabile Anzeige war eine Herausforderung. Innerhalb des kleinen Zwischenbehälters neigte das Material dazu, sich in einigen Bereichen zu verdichten und in anderen Bereichen Lücken und Brücken zu bilden. Um dies zu verhindern, werden pneumatische Rüttler eingesetzt, um das Material zu schütteln und neu zu verteilen. Zuvor wurde für die Füllstandmessung eine kapazitive Sonde verwendet, deren Messungen jedoch unregelmäßig waren und nur langsam auf Füllstandänderungen reagierten. Darüber hinaus verkürzte die hohe Vibration die Lebensdauer der Kapazitätseinheit auf nur wenige Monate. Da der Überspannungsbehälter nur 1,20 m hoch ist, war das geführte Wellenradar die ideale Wahl (siehe Abbildung 1).

Als Ersatz für die Kapazitätssonden wurde ein geführtes Wellenradar (GWR) Rosemount 5303 von Emerson ausgewählt. Das Gerät eignet sich für die Messung von Flüssigkeiten oder Feststoffen und lässt sich mithilfe der Software einfach für die Feststoffanwendung konfigurieren. Da die Sonde beispielsweise parallel zur Neigung des Behälters installiert wurde, musste die horizontale Füllstandsmessung um die Neigung korrigiert werden, indem der Winkel der Sonde in die Software eingegeben wurde. Darüber hinaus ist das Gerät mit einer abgesetzten Gehäuseverlängerung erhältlich, um den Messumformerkopf entfernt von der Sonde zu montieren. Dadurch wurde die Elektronik vor Vibrationen geschützt und die Lebensdauer des Geräts verlängert. Ein entscheidender Vorteil des GWR ist seine Fähigkeit, genaue Messungen in kleinen Tanks mit sich schnell ändernden Füllständen durchzuführen, was für diese Anwendung unerlässlich ist und die Aufrechterhaltung eines konstanten Füllstands ermöglicht. Das Gerät erweist sich als zuverlässig und wartungsfrei. Durch die Verbesserung der Messgenauigkeit ist der Prozess stabiler geworden.

Die zum Beheizen der Öfen verwendete Kohle wird in 112-Fuß-Silos gelagert, die eine Füllstandsmessung erfordern, um den Bestand zu überwachen und sicherzustellen, dass die Öfen immer mit Brennstoff versorgt werden (siehe Abbildung 2). Die Kohle wird gleichzeitig aus den beiden Silos entnommen und die Messungen werden verwendet, um zu bestimmen, wann mehr Kohle bestellt werden muss. Da es keine Möglichkeit gibt, überschüssigen Kraftstoff zu lagern, ist eine gute Bestandsverwaltung unerlässlich. Das Silo muss bereit sein, bei Ankunft die volle Menge Kohle vom Lastkahn aufzunehmen. Die Annahme nur einer Teilladung ist kostspielig und ineffizient.

Abbildung 2: Neue Kohle kann nur bestellt und geliefert werden, wenn Platz in den großen Silos vorhanden ist. Dies erfordert eine genaue Füllstandüberwachung zur Unterstützung der Bestandsverwaltung.

Bisher wurde für die Messungen in den Silos ein Ultraschall-Füllstandsensor eingesetzt. Obwohl das Gerät die meiste Zeit einwandfrei funktionierte, kam es gelegentlich zu „Blockaden“, und trotz mehrerer Arbeitsanweisungen zur Untersuchung und Beseitigung des Fehlers konnte die Ursache nie ermittelt werden. Aufgrund der Unzuverlässigkeit zögerte man, das Silo auf weniger als 40 % zu entleeren.

Das Produktionsteam beschloss, das Gerät auszutauschen, und die Ingenieure von Emerson empfahlen das berührungslose Radar Rosemount 5408. Aufgrund der Höhe des Silos wurde zur Ausrichtung der Radarsignale eine Parabolantenne installiert. Normalerweise wird ein Luftspülsystem eingesetzt, um zu verhindern, dass Staub die Antenne blockiert. Da die Kohle jedoch oft nass war, wurde Staub nicht als Problem angesehen. Bei der Installation waren zunächst einige Anpassungen der Schwellenwerteinstellungen erforderlich, danach funktionierte das Gerät einwandfrei. Als das Wetter jedoch wärmer wurde, begann das Radar ähnlich zu funktionieren wie das Ultraschallgerät, mit kurzen Phasen, in denen es einfrierte. Eines der Hauptmerkmale des Rosemount 5408 ist sein standardmäßig integrierter Datenhistoriker, der automatisch Daten für bis zu sieben Tage sammelt und speichert, was die Fehlerbehebung erheblich erleichtert (siehe Abbildung 3). Mithilfe des Datenhistorikers und des begleitenden Tankradar-Echospektrums wurden große Signalspitzen in der Nähe des Antennenbereichs gefunden, die den Zeiten entsprachen, in denen hohe Messwerte erfasst wurden. Dieser Einblick in die Veränderung der Prozessbedingungen war mit dem vorherigen Ultraschallgerät nicht möglich.

Abbildung 3: Der Datenhistoriker Rosemount 5408 liefert eine visuelle Aufzeichnung der Messungen im Laufe der Zeit und zeigt, wo aufgrund der Anwesenheit von Feuchtigkeit zusätzliche Echosignalspitzen in der Nähe der Oberseite des Kohlesilos auftraten.

Bei einer Inspektion des Geräts während eines dieser Spitzenwerte stellte sich heraus, dass Feuchtigkeit an der Antenne kondensierte und die hohen Messwerte verursachte. Im Sommer sorgten die feuchte Kohle und die hohe Hitze für eine sehr feuchte Umgebung im Schiff, wobei es zu Kondensation auf den Oberflächen kam. Zum Abblasen der Feuchtigkeit wurden Luftleitungen installiert, wodurch das Problem der Kondensation beseitigt wurde. Das Radar funktionierte anschließend gut und lieferte genaue und zuverlässige Messungen. Schließlich wurde am zweiten Silo ein zweites Radar mit Parabolantenne und Luftspülsystem installiert.

Bei der dritten Anwendungsherausforderung handelte es sich um Kalkhydratsilos. Da es sich bei dem gelöschten Kalk um ein Fertigprodukt handelt, sind genaue Bestandsmessungen wichtig, da sich das Produkt in den Silos ansammelt und zum Verkauf abtransportiert wird. Kalkhydrat ist ein feines, trockenes Pulver, das ähnlich einer Flüssigkeit fließt. Immer wenn das Silo gefüllt wird, erzeugt das Pulver eine innere Staubwolke, die einem blendenden Schneesturm ähnelt. Das Material ist warm und verfügt über eine leichte statische Aufladung, die es an Oberflächen haften lässt. Kommt der Kalk mit Feuchtigkeit in Kontakt, bildet er eine harte, krustige Schicht, die sich nur schwer entfernen lässt. Zur Durchführung von Füllstandmessungen hatte das Unternehmen ein berührungsloses Radar eines Wettbewerbers eingesetzt, allerdings mit dürftigen Ergebnissen. Zunächst schienen die Messungen korrekt zu sein, doch mit der Zeit begannen die Messwerte zu driften. Das vorhandene Radar nutzte eine an der Antenne befestigte Teflonkappe, um Ablagerungen zu reduzieren. Es traten jedoch immer noch Ablagerungen auf und die resultierenden Messwerte wurden instabil, sodass die Einheiten gereinigt werden mussten. Dazu war es erforderlich, dass ein Wartungstechniker mit den entsprechenden Werkzeugen über 200 Stufen zum oberen Ende des Silos hinaufstieg und die Einheit entfernte, um die Antenne zu reinigen. Dies geschah alle zwei bis drei Tage und war nicht nur zeitaufwändig, sondern auch gefährlich, insbesondere bei schlechtem Wetter. Jedes Ereignis kostet etwa 50 US-Dollar pro Fahrt. Obwohl diese Kosten gering erscheinen, summierten sie sich im Laufe der Zeit. Darüber hinaus stellte jede Fahrt ein Sicherheitsrisiko dar und hielt das Personal von anderen Wartungsaufgaben ab.

Das Produktionsteam beschloss, das vorhandene Radar durch ein Rosemount 5408 zu ersetzen und arbeitete mit Emerson zusammen, um die richtige Lösung zu finden. Der Zugangspunkt für das Radar war ein 6-Zoll-Gerät. Düse, die für eine Parabolantenne zu schmal war. Die Kombination aus Silohöhe und geringen dielektrischen Eigenschaften des Kalkhydrats überschritt die Reichweitengrenzen einer Prozessdichtungsantenne. Daher wurde eine Standard-Kegelantenne mit Spülanschluss für eine Luftspülung empfohlen (siehe Abbildung 4).

Abbildung 4: Das berührungslose Radar Rosemount 5408 bietet zuverlässige Messungen, ohne dass eine regelmäßige Reinigung erforderlich ist.

Da diese Art von Anwendung typischerweise sehr staubig und kontaminierend ist, wurde die Verwendung einer Parabolantenne mit integriertem Luftspülsystem empfohlen, um die Antenne sauber zu halten. Andere Lösungen könnten darin bestehen, entweder einen 4-Zoll-Anschluss zu verwenden. Prozessdichtungsantenne oder eine 4-Zoll-Antenne. Kegelantenne mit Luftspüloption. Das neue Radar liefert seit mehr als einem Jahr zuverlässige Messungen ohne Reinigungsaufwand. Das Radar hat die täglichen manuellen Einbrüche des Inventars ersetzt. Durch die Implementierung dieses zuverlässigeren Messgeräts werden die Messungen des Automatisierungssystems mit den manuellen Messungen überprüft, die in den monatlichen Audits erforderlich sind, und Anlagenbetreiber sind in der Lage, Bestandsmassenbilanzen abzugleichen.

Nachdem die ersten drei Anwendungen installiert, konfiguriert und überwacht waren, waren die örtlichen Instrumentierungsbetreiber mit den Radargeräten, ihrer Funktionsweise und ihrer Konfiguration vertraut. Mit der Unterstützung von Emerson und ihrer eigenen Erfahrung mit den Radargeräten vor Ort konnten die örtlichen Betreiber die nächste Anwendung selbst einrichten. Bei dieser Anwendung handelte es sich um ein großes, 98 Fuß hohes Feinkalksilo (siehe Abbildung 5). Dieses Silo wurde direkt vom Brecher beschickt und versorgte die Öfen mit Kalk zur Herstellung des gelöschten Kalks. Das Unternehmen verwendete ein Ultraschallgerät, das jedoch instabil, unzuverlässig und ungenau war. Die Anwendung ist aufgrund der Menge an Staub, die entsteht, eine Herausforderung, aber mit der Verwendung einer Parabolantenne und der Luftspüloption hat die neue Lösung zu einer sehr zuverlässigen und genauen Messung geführt.

Bei der letzten Anwendung handelte es sich um die Messung eines speziellen Kalkhydratprodukts in einem Ausgleichsbehälter eines Eisenbahnwaggon-Verladesystems. Zuvor wurde das Produkt auf LKWs verladen und auf Eisenbahnwaggons umgeladen. Bei ihrem neuen System werden die Trichter direkt in die Waggons gefüllt, das Produkt muss jedoch zu Abrechnungszwecken genau abgemessen werden. Die Messung ist schwierig, da sie während der Bewegung durch einen schmalen 14-Fuß-Trichter erfolgt. Die Umgebung ist nicht nur sehr staubig und das Produkt leicht und belüftet, der Trichter füllt sich auch sehr schnell. Die Wahl fiel auf den Füllstandmessumformer Rosemount 5408 von Emerson, da das gleiche Produkt in größeren Lagersilos erfolgreich eingesetzt werden konnte (siehe Abbildung 6). Das Gerät verfolgt die Messungen genau und stellt sicher, dass die Waggons direkt für den Versand an Kunden beladen werden können. Durch das neue System entfällt der Schritt mit den LKW-Anhängern, wodurch es effizienter und reaktionsfähiger bei der Auftragserfüllung wird.

Abbildung 6: Der für den Trichter verwendete Rosemount 5408-Transmitter.

Entscheidend für den Erfolg dieser anspruchsvollen Anwendungen war der Einsatz fortschrittlicher Radartechnologie in Kombination mit unterstützender Beratung zu den richtigen Installationsoptionen, die zur Maximierung der Leistung und zur Reduzierung des langfristigen Wartungsaufwands erforderlich sind. Wichtig war auch, wie die Software für jedes Gerät die Einrichtung für jede Anwendung vereinfachen und klare Hinweise auf die Leistung und alle erforderlichen Anpassungen geben konnte.

Durch zuverlässigere Füllstandmessungen ist das Werk nicht nur in der Lage, die Lieferung von Rohstoffen wie Kohle effizient zu planen, sondern kann auch die Bewegung von Kalkprodukten im gesamten Werk verfolgen. Durch die Reduzierung des Wartungsaufwands und der manuellen Messungen sowie die Eliminierung von Ausfallzeiten aufgrund problematischer Geräte wurde auch die Sicherheit des Personals erhöht. Durch genauere Messungen besteht eine größere Sicherheit hinsichtlich der Menge des Endprodukts, die an die Eisenbahnwaggons geliefert wird, was eine genaue Abrechnung und zufriedene Kunden gewährleistet.

Kapazitive Sonden werden seit vielen Jahren in Anwendungen zur Füllstandmessung von Feststoffen eingesetzt und werden oft aufgrund der Vertrautheit des Benutzers und der Kosten ausgewählt. GWR- und Kapazitätssonden sehen ähnlich aus, wobei bei beiden eine Sonde in das Gefäß eingeführt wird und ein Elektronikkopf für Strom und Ausgang sorgt. Die Füllstandsmessungen fallen recht unterschiedlich aus. Bei kapazitiven Sonden erzeugt das gemessene Material eine Kapazität, wenn sich der Füllstand ändert, wobei der Kapazitätswert proportional zum Füllstand ist. Ändern sich die dielektrischen Eigenschaften des Materials, ändert sich auch die proportionale Füllstandmessung. Die Messung kann durch Belag auf der Sonde, Luftspalte und Materialverdichtung beeinträchtigt werden.

Bei GWR wird ein durch die Sonde gesendeter Impuls von der Oberfläche des Materials zurück zur Elektronik reflektiert. Die Zeit, die der Impuls benötigt, um die Oberfläche und zurück zu erreichen, wird zur Berechnung des Materialfüllstands verwendet. Änderungen der Materialeigenschaften haben keinen Einfluss auf die Messung (siehe Abbildung 7).

Abbildung 7: Dieses Diagramm veranschaulicht die Auswirkung der Überbrückung auf die Füllstandmessung. Bei einer kapazitiven Sonde wird die Füllstandmessung durch den großen Luftraum unter der Oberfläche beeinflusst. Dies führt dazu, dass der Füllstand niedriger erscheint, was wiederum zu einer Überfüllung führen kann. GWR wird nicht durch Veränderungen unter der Oberfläche beeinflusst.

Ultraschall- und berührungsloses Radar sehen auch optisch ähnlich aus, da sie über einen Elektronikkopf und einen Luftsensor verfügen. Beide Technologien übertragen ein Signal an die Oberfläche und die Zeit, die das reflektierte Signal benötigt, um die Antenne zu erreichen, ermöglicht die Messung der Entfernung zur Oberfläche und des Füllstands. Der wesentliche Unterschied besteht in der Geschwindigkeit des Signals, wobei sich Ultraschallsignale mit Schallgeschwindigkeit und Radarsignale mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten. Daher hat alles im Dampfraum, das die Laufzeit beeinflusst, Auswirkungen auf die Genauigkeit der Messung. Dazu gehören Temperatur, Staub, Dämpfe und Luftspülungen. Dies kann bei der geringen Geschwindigkeit des Ultraschallsignals erheblich sein, beim Radar jedoch vernachlässigbar. Ein weiterer wesentlicher Unterschied besteht darin, dass Radar mit einer viel höheren Frequenz arbeitet als Ultraschall, wodurch das Radar Staub und Dämpfe durchdringen kann.

Das Rosemount 5408 von Emerson ist ein berührungsloses Mittelfrequenzradar, das auf der frequenzmodulierten Dauerstrichtechnologie basiert und ein fokussiertes Signal an die Oberfläche sendet, das den Dampfraum durchdringen und die Oberfläche genau messen kann. Die mittlere 26-GHz-Frequenz ist optimal für typische Anwendungsherausforderungen auf Prozessebene, einschließlich Kondensation, Turbulenzen, Düsen, Produktansammlungen, Schaumbildung, Rührwerke und Feststoffe. Darüber hinaus verfügt es über einen integrierten Algorithmus zur Messung der geneigten Festkörperoberfläche. Bei Feststoffanwendungen mit geneigter Oberfläche kann es zu Ansammlungen mehrerer kleiner Spitzen kommen. Mithilfe des Algorithmus werden diese kleineren Peaks kombiniert, um einen robusteren Oberflächenpeak zu erzeugen.

Kurt Gieselman ist leitender Außendienstspezialist für Rosemount-Messprodukte bei Emerson. Weitere Informationen finden Sie unter www.emerson.com.

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