UNION CWD. Instruments. Messgeräte-Serie zur Kalorimetrie. MessungvonWobbe-Index undspezifischerdichte. DirekteBestimmungder Reaktionswärme

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1 UNION Instruments CWD Messgeräte-Serie zur Kalorimetrie MessungvonWobbe-Index undspezifischerdichte DirekteBestimmungder Reaktionswärme Berechnungvonunterem undoberenheizwert EinsatzinEx-Bereichen Zulassungfüreichamtliche Messungen IntegrierterRechnerfür SteuerungundAuswertung

2 Gasbeschaffenheit und Gerätereihe CWD Gasbeschaffenheit, Wobbe-Index ErdgasundanderebrennbareGasehabeneinehohe BedeutungalsBrennstofffürindustrielleProzesseerlangt.JenachHerkunftunterscheidensiesicherheblich hinsichtlich chemischer Zusammensetzung und Brennverhalten.DerzugehörigeFachbegriffist Gasbeschaffenheit undwirddurchkennzahlenwieheizwert,brennwertundwobbe-index(siehetextkasten) beschrieben. AngesichtsdersteigendenDiversifizierungvonErdgasbezugsquellenwirdbeiVerbrauchernzunehmendErdgasmitschwankenderGasbeschaffenheitunddamit unterschiedlichemverbrennungsverhaltenangeliefert. HandeltessichbeimVerbraucherumthermischsensibleProzessebzw.Brenner,somussdieBeschaffenheitdesangeliefertenGasesüberwachtundbeiBedarf durchkonditionierungaufdenbenötigtenwertnachgeregeltwerden.anderenfallsistdiefunktioneines BrennersunddesnachfolgendenProzessesunddamit dieproduktqualitätgefährdet.typischebeispielehierfürsindprozesseinderglasindustrieunddermetallurgie. Ein gleichartiger Effekt entsteht durch den steigenden Einsatz von Biogas und Biomethan oder vonprozessgasen(kuppelgasen)alsbrenngase. Kalorimeter-Gerätereihe CWD Zur Beherrschung schwankender Gasbeschaffenheit beiderwärmezufuhrzuprozessenisteineentsprechendegasmesstechnikerforderlich,wiesieunion Instruments mit seiner umfangreichen Gerätereihe CWDseitvielenJahrzehntenbietet. CWD steht für die englischen Begriffe Calorimetry, Wobbe-Index und Specific Density und bezeichnet einemodularaufgebautegeräteseriezurbestimmung kalorimetrischergrößeningasengemäßdendvgw- ArbeitsblätternG260undG262. Bild1gibteineÜbersichtüberdieverschiedenenCWD- VariantenmitihrenvielfältigenEinsatzbereicheneinschließlicheichamtlicherMessungen(CustodyTransfer, CT)sowiedenermitteltenParametern.GemessenwerdenWobbe-IndexundspezifischeGasdichte,daraus errechnetwerdenheiz-undbrennwert. Einzelheiten zum Geräteaufbau bringt Seite 4, die technischendatenfindensichaufseite6. CWD Geräteserie Einsatzbereich Erdgas Biomethan Flüssiggas Low Gas Hochofengas Koksgas Mischgase CWD2005 High Gas Raffineriegas Mischgase Ex-Bereiche Class I Div. II Eichamtliche Messungen CWD2005-CT CWD2005-DP CWD2005-PLUS Besondere Eignung Gemessene Größen Wobbe-Index Spez. Dichte Messergebnis Errechnete Größen Heizwert Brennwert W2005 Wobbe-Index Heizwert Brennwert (Konstante Dichte) CT: Custody Transfer DP: Direct Purge Bild 1 Heizwert (Netcalorificvalue):BeiVerbrennungeines GasesmaximalnutzbareWärmemengeohne KondensationdesWasserdampfesimAbgas. FrühereBezeichnung:UntererHeizwert Brennwert (Grosscalorificvalue):BeiVerbrennung einesgasesmaximalnutzbarewärmemengemit KondensationdesWasserdampfesimAbgas. FrühereBezeichnung:ObererHeizwert Wobbe-Index (Wobbe-Zahl,EinheitkWh/m 3 ) Kennzahl für die Austauschbarkeit von Brenngasen hinsichtlich thermischer Belastung der Brenner. Wichtig bei Einsatz von Brenngasen wechselnder ZusammensetzunganeinemBrenner.BrenngaseunterschiedlicherZusammensetzunghabenbeigleichem Wobbe-IndexundgleichemFließdruckamBrennerannäherndgleicheWärmeinhalte.

3 Wobbe-Index Direkte oder indirekte Bestimmung Wobbe-Index DerWobbe-IndexeinesGasesisteinkorrigierterHeizwert(sieheFormel1)unddientalsMaßzahlfürdie AustauschbarkeitvonBrenngasenanBrennern.Gase unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung, jedochmitgleichemwobbe-indexsindbezüglichbrennerbelastunggleichwertigundkönnenohnegefährdung der Brenner gegeneinander ausgetauscht werden. Für einen sicheren und effizienten Betrieb einer Verbrennungsanlage muss daher der Wobbe- IndexvorEintrittdesBrenngasesindenBrennerkontinuierlichermitteltwerden.Hierzugibtesdirekteund indirekteverfahren. Direkte Bestimmung (Prinzip des CWD) DieGerätederCWD-SerieverwendenzurBestimmung deswobbe-indexdasdirektemessverfahren:durch fortlaufende(kontinuierliche)messungderbeiderverbrennungeinesdefiniertengasstromsentstehenden EnergiewirdderWobbe-Indexdirektbestimmt.ZusätzlichwirddierelativeDichtegemessen,worausder Heizwertberechnetwerdenkann.EineKorrelationsfunktionwirdankeinerStellebenötigt. BeiderVerbrennungwerdenauchunbekanntebzw. unerwartetekomponentenimgaserfasstundinder Messungberücksichtigt.Dasistbeiraschwechselnder Gaszusammensetzungvonz.B.RestgasenvonchemischenProzessenoderErsatzgaseninderStahlindustrie vonhoherbedeutung. Indirekte Bestimmung VieleWobbe-GerätemessennichtdenWobbe-Indexdirekt,sonderndenRestsauerstoff,dernacheinerüberstöchiometrischen, katalytischen Verbrennung des GasesnochimGasverbleibt.Ausdiesemindirekten, mittelsgasanalyseermitteltenwertergibtsichzunächst derluftbedarfbzw.nachdessenkorrekturdiegröße CARI(CombustionAirRequirementIndex)fürdieVerbrennung. Aus CARI(Formel 2) wird schließlich über einekorrelationsfunktionderwobbe-indexerrechnet. DiemitdiesemVerfahrenerreichbareGenauigkeitist voneinflüssendeskatalysatorsaufdievollständigkeit derverbrennungabhängigsowievondergenauigkeit, mitwelcherdieverwendetekorrelationsfunktionden jeweiligenanwendungsfall(d.h.dieaktuellegasmischung)abbildet.untersuchungenderstahlindustrie habengezeigt,dassbeieinsatzsogenannterersatzgasenfehlerquellennichtauszuschließensind,dahäufig genutztegasmischungenaußerhalbdertypischenkorrelationskurven liegen. Bild 2 zeigt diese Sachlage: ZwischenWobbe-IndexundCARIzeigtsichfürtypischeGasederStahlindustrieeinekeinesfallseindeutigeKorrelation.Dargestelltsindu.a.folgendeGase (bzw.derenmischungen): CARI [Nm 3 fuel / Nm 3 Air] 3,50 3,00 2,50 2,00 BFG - NG BFG -COG NG - N2 CO NG - Air NG BFG BOFG LPG LDG COG NaturalGas BlastFurnaceGas BasicOxygenFurnaceGas LiquifiedPetroleumGas LinzDonawitzGas CokeOvenGas 1,50 BOFG (LDG) 1,00 LPG - Air 0,50 BFG 0, Wobbe-Index [kj/nm 3 ] Bild 2: Nicht-lineare Korrelation zwischen CARI und Wobbe-Index (Stahlindustrie) Wobbe-Index Heizwert Spezifische Dichte (1) CARI Luftbedarf Spezifische Dichte (2)

4 Geräteaufbau und Gerätefunktion Bild 3: Geräteaufbau CWD InderMesszelle mit Brenner (1) wirddasmessgas verbrannt.dieflammendetektionerfolgtüberdieenergiefreisetzungbeierfolgreicherzündung.zurbestimmungderenergiemengewirddietemperaturerhöhung durchsehrrobustethermoelementedirektimabluftstrombestimmt.dasermöglichteinbesondersschnelles MessenvonHeizwertschwankungendesMessgases. DieNiederdruck-Gasdosierung (2) bietetdemanwendereinereihevonvorteilen: DerEingangsdruckvonnur25 35mbarerlaubtin vielenfällendenverzichtaufeinsatzeinerdruckerhöhungspumpe. Damit entfällt zugleich eine mögliche Fehlerquelle,dabeiderKompressionvonmitDampf gesättigtengasen(z.b.kesselgase)kondensateausfallen,wodurchdienachfolgendemessungbeeinträchtigtwird.diesereinflusswirdbeimcwddurchden niedrigeneingangsdruckbewusstkleingehalten. Die Dosiertechnik des CWD erlaubt Messungen mit kleinengasströmenab10l/h.dadurchistesmöglich, dasgesamtemessgaszuverbrennen.damitentfallen beimanwenderdiesonstentstehendenproblememit dergasentsorgung. FüreinegenaueMessungdesWobbe-Indexmussdie GasdosierungmithoherGenauigkeiterfolgen.Daswird imcwdübereinsystemausdruckreglerunddüse realisiert:derpräzisionsdruckminderervonunioninstrumentsisttemperatur-unabhängigundkanndifferenzdrücke von 4 mbar konstant ausregeln. Der Messbereich wird durch eine Gasdüse mit einem Durchmesservon0,4 1,5mmbestimmt. DieakustischeDichtemessung (3) erfolgtimbypass zumhaupt-messgasstrom.siebieteteinenweitenmessbereichvon0,2bis2,2relativerdichte. Die Luftmessung (4) erfolgt durch eine Messblende undeinenpräzisions-differenzdruck-sensor. DieGasaufschaltung (6) erfolgtübereinenventilblock, über den die Zufuhr von Mess- und Kalibriergas zum Analysatorgesteuertwird.Beieichamtlichzugelassenen Gerätevariantenwirdeine BlockandBleed -Schaltung miterhöhtersicherheitverwendet. Die übrigen Baugruppen inbild3sind (5) AutomatischeZündeinrichtung (7) Datenerfassung (8) I/O-Bereich (9) Stromversorgung (10) Ventilator (11) Elektronik/Netzteil Akustische Dichtemessung von Gasen DerpiezoelektrischeEffektwandeltmechanischeVerformungeninelektrischeSignaleundumgekehrt. EinedervielenAnwendungenistdieakustischeDichtemessungvonGasenmitbesondershohemlinearenMessbereich( relativerDichte).Die im CWD dafür eingesetzten Piezokeramiken sindgoldbeschichtet unddaheräußerstkorrosionsbeständig.diemessungerfolgtimbypassmitsehrkleinemgasdurchfluss(1-4l/std.) und daher sehr geringer Verschmutzungsgefahr. Die hohe Messgenauigkeit ermöglicht die Umrechnung von Wobbe-IndexzuBrennwertauchbeieichamtlichenMessungenfürErdgas.

5 Steuerung (Hard- und Software) Steuerung und Bedienung DieBedieneinheitHMI(HumanMachineInterface)umfasstdieKomponentenzentraleSteuerung,Displayund TastaturundistüberdenGerätebusmitzweiModulen verbunden(bild4):dasmesstechnik-modulsammeltdie Messdaten,dasI/O-ModulübernimmtdieexterneKommunikation.DieEinzelheitenderBedienoberflächezeigt Bild5. Feldbus, z.b. Profibus Temperatur 1 Temperatur 2 Druck HMI - Zentrale - Display - Tastatur Messtechnik- Modul Gerätebus Dichte Die Software basiertaufeinemechtzeit-betriebssystem.sieistin verschiedenenmenüebenenstrukturiert,dieübersoftkeyserreichtwerden. RS232 Digit. Input 8x Relais 20 ma galv. I/O Modul Bild 4: Funktionsfließbild CWD Bild 5: Bedien- und Anzeigefeld CWD (Human Machine Interface) 1:Menütasten(Softkeys) 2:AktuelleMessdaten(GraphischeAnzeige) 3:AktuelleMessdaten(numerisch,mitDimension) 4:Infofeld(Datum,Zeit,interneBetriebsdaten,..) 5:Trendanzeigen 6:Positionstasten 7:Eingabetasten 8:Start/Stop 9:Brennerfenster(zumBeobachtenderFlamme) 10:LED-Statusanzeigen Feldbus BegrifffürserielleBussystemeinderFertigungs-undProzessautomatisierung,mitdenenFeldgerätewieSensoren,MessgeräteundAktoren(als Slaves )mitsteuerungenoderleitsystemen(als Master )verbundenwerden. Über den Bus erfolgt die bi-direktionale Kommunikation zwischen den Busteilnehmern zum digitalen Datenaustausch.DerweltweiterfolgreichsteFeldbusistProfibus.Feldbusseersetzenzunehmenddiekonventionelle4-20mA-Technik.

6 CWD - Technische Daten CWD2005 CWD2005-CT CWD2005-DP CWD2005-PLUS W2005 Gewicht [kg] Abmessungen (BxHxT) [cm] IP-Schutzart Ex Klassifikation Aufstellungsort Betriebstemperatur Eingänge Prozessgas Eingänge Kalibriergas Prüfungen (optional) Netzversorgung Max. Leistungsaufnahme Lagertemperatur CSA-Zulassung (optional) Schnittstellen x 102 x 33,7 IP 50 keine keine Class I, Div, 2 keine keine sichere Zone sichere Zone Zone 2 sichere Zone sichere Zone 5-40 C max max. 2 max. 2 max max. 2 max. 2 SGS (NRTL akkreditiert) 240 VDC 50 Hz / 240 VAC 60 Hz / 110 VAC 60 Hz 200 VA 0-60 C ( ) 4-20mA, RS232, Relaiskontakte, Ethernet (TCP/IP), Profibus-DP, Modbus-TCP, Modbus-RTU, Profinet IO Messbereiche / Genauigkeiten / Gasmenge Bereich Gasart Genauigkeit Wobbe-Index [ ±% MBE] / Gasmenge [l/h] MJ / m Fackelgas 3,0 / 40 3,0 / 40 3,0 / 40 3,5-6 Hochofengas 3,0 / 170 3,0 / 170 4,5-9 Konvertergas 1,5 / 140 1,5 / Mischgas 2,0 / 140 2,0 / Koksgas 1,5 / 60 1,5 / 60 1,5 / 60 1,5 / Biogas 1,5 / 70 1,5 / 70 1,5 / 70 1,5 / Raffineriegas 1,5 / 25 1,5 / 25 1,5 / 25 1,5 / Erdgas 1,5 / 25 1,0 / 25 1,0 / 25 1,0 / 25 1,5 / LPG Flüssiggas 1,5 / 15 1,5 / 15 1,5 / 15 1,5 / 15 Bild 6: Technische Daten der CWD-Geräte Ethernet BegrifffüreineKommunikationstechnologiezumDatenaustauschzwischenGeräteneinesNetzwerkesmit besondershohenübertragungsraten.inseinerausprägung IndustrialEthernet istethernetinderindustrie aufebenedervernetzungvonsteuerungenundeinbindungderleittechnikinhöhereebeneneinakzeptierter Standard.Ethernetfindet,vorallemdurchKombinationmitanderenProtokollen,einebreiteAnwendungin Formvonethernet-basiertenLösungenwiez.B.PROFINEToderModbusTCP.SpeziellPROFINETistsowohlIndustrialEthernetalsauchzu100%EthernetunddaherfüralleIndustrieapplikationenundzusätzlichzur NutzungallerwebbasierterDiensteundToolsgeeignet.

7 CWD Anwendungen DieAnwendungenderCWD-Gerätesindsehrvielfältig, sowohlhinsichtlichderzumessendengasealsauch derverfahrenstechnischenprozesse(branchen)und ApplikationenindenAnlagen.Bild7gibthierzueine Übersicht.BesondereCWD-GerätevariantenermöglichendenEinsatzimeichpflichtigenVerkehrsowieden BetriebinexplosionsgefährdetenZonen. Einsatz im eichpflichtigen Verkehr Eichgesetze schreiben vor, dass Messgeräte im geschäftlichenverkehr(beikaufundverkaufmessbarer Güter)geeichtseinmüssen.MansprichthiervonEichpflichtigemVerkehr(CustodyTransfer). VonbesondererBedeutungistdasinderÖl-undGasindustrieangesichtsderungeheuergroßenStoff-und Energieströme,diedortbewegtundvonBetreiberan Betreiberbzw.LieferantanAbnehmergeliefertwerden.DieseEichpflichtgiltauchfürKalorimeterbezüglichderBrennwertevonGasen. Einsatz in Ex-gefährdeten Bereichen BeiEinsatzvonKalorimeterninderÖlundGasindustrie erfolgtdieinstallationhäufiginexplosionsgefährdeten Bereichen.DaserfordertbesondereSchutzmaßnahmenbeiderGerätetechnikundentsprechendeZulassungendurchdieBehörden. Die Version CWD2005-DP (DirectPurge)istentsprechend konzipiert und zugelassen nach Class1, Div.2gemäßNEC500(USA).DasGehäuseistmiteiner Druckluftspülung (Type Z) und einer Sicherheitsabschaltungausgerüstet. DasKalorimeterCWD2005CTvonUNIONInstruments wurde 2009 als Brennwert-Messgerät für den eichpflichtigen Verkehr zugelassen. Es ist für alle Gase nach Arbeitsblatt G260/262 des DVGW (Deutscher VerbandderGas-undWasserwirtschaft)zureichfähigen Bestimmung des Brennwerts im Bereich 8,4 13,1kWh/Nm³einsetzbar.EichfähigistdieMessung vonaufbereitetembiogas,einschließlichflüssiggas- LuftkonditionierterGase. Bild 8: CWD für explosionsgefährdete Bereiche Gasart Branche Applikation Biogas Biomethan Erdgas Kuppelgase Prozessgase Bild 7: Einsatzgebiete Erdgasgewinnung Erdgasverteilung Erdgasverwendung Stahlindustrie Raffinerien Wobbe-Messgeräteserie CWD Typische Einsatzgebiete Biogasaufbereitung Biogaskonditionierung Messung von Roh-Biogas Aufbereitung zu Biomethan Konditionierung von Biomethan Konditionierung Energiemessung (Eichfähig) Qualitätsmessung Brennwertmessung Mischanlagen Erdgas/Flüssiggas/Luft Messungen an Brennern: Glasindustrie Messungen an Brennern: Stahlindustrie Messungen an Gasturbinen Walzwerke Sinteranlagen Winderhitzer Kraftwerke Kalköfen Fackeln CWD im Einsatz bei der Herstellung von Floatglas DieHerstellungvonFloatglasisteinkontinuierlicherProzess.DieGlasschmelzewirdbei1100 Cinein BadausflüssigemZinngeleitet,aufwelchesdasleichtereGlasaufschwimmt(float).OptimaleBrennbedingungen und konstante Temperatur dieses Bades sind entscheidend für eine gleichbleibend hohe Glasqualität.DerEnergiegehaltdesBrenngases,vorzugsweiseErdgas,variiertjedochüberdieZeit.Durch laufende Bestimmung seines Energiegehaltes durch das CWD und entsprechenden Ausgleich durch geeignetebeimischungenwerdenkonstanteflammentemperaturundstabilebrennbedingungenerreicht.

8 UNION Instruments Unternehmen,Marktpräsenz,Support UNIONInstrumentsistein1919gegründetesdeutsches UnternehmenmitFirmensitzinKarlsruheundeinemweiterenStandortinLübeck.DieAktivitätensinddurchhohe Innovationsgeschwindigkeitgeprägtundkonzentrieren sichaufdiegasmesstechnikinderprozessindustriemit den Bereichen Kalorimetrie (Energieinhalt von Gasen) unddiegasanalyse(zusammensetzungvongasen). Mit Vertriebsaktivitäten in 20 Ländern zeigt UNION Instruments eine breite und ständig zunehmende Präsenz auf dem Markt. Neben den europäischen LändernsindChinaundUSAbesondereSchwerpunkte mithohenmarktanteileninrelevantenmarktsegmenten. Der Vertrieb erfolgt vorzugsweise über Distributoren. Unter Nutzung moderner Kommunikationsmittel und durchbereitschaftzuintensiverreisetätigkeitstehtjedochauchdasfachwissenderdeutschenspezialisten denweltweiteninteressentenzurverfügung. Bild 9: UNION Instruments, Gerätkalibrierung Beratung vor einer Beschaffung DermodulareAufbauderUNION-GerätetechnikermöglichtderenanwendungsspezifischeAusstattung.Zurvollen Nutzung dieses Potenzials ist im Vorfeld einer BeschaffungeineAbklärungderAufgabenstellungsinnvoll:HierfürstehenbeiUNIONInstruments qualifizierte SpezialistenmitjahrelangerApplikationserfahrungin Bereitschaft. Unterstützung nach der Beschaffung Auch die beste Gerätetechnik kommt während ihrer BetriebzeitnichtohnequalifiziertenServiceaus.UNION InstrumentsbietethierfüreingestuftesKonzeptan: ServicevorOrtdurchregionalansässige,gutausgebildeteTechniker.DerKreisdersoausgestattetenLänderwirdkontinuierlicherweitert. ServiceausdenStandorteninDeutschlanddurchauf weltweitereiseeinsätzevorbereitetetechniker.derartigeeinsätzewerdenzugleichauchzurunterstützung undweiterbildungderregionalentechnikergenutzt. FernwartungausDeutschlandmitmodernenToolsper Mobilfunkund/oderInternet. Ein auf schnellen Versand organisierter ErsatzteildienstsowiedasAngebotvonErsatzteilpaketenund Wartungsverträgen runden das Serviceangebot von UNIONInstrumentsab. Bild 10: UNION Instruments, Kundensupport Schulung bei Inbetriebnahme und in zentralen Kursen DerNutzenauseinemoptimalbestücktenGerätwird nurbeisachgerechterhandhabunggeneriert.entsprechendeschulungensollendiemitgeliefertedokumentationergänzenundgehörenheutezumlieferumfang eineranspruchsvollenmesstechnik. UNIONInstrumentsbietethierfürdiedirekteSchulung imrahmenderinbetriebnahmeundzusätzlichbzw. alternativzentraleausbildungskursezuunterschiedlichenthemenan V UNION Instruments UNION Instruments GmbH Zeppelinstraße Karlsruhe Germany Alfstraße Lübeck Germany Phone +49 (0) Fax +49 (0) info@union-instruments.com