Brennersteuerungen Hr Janssen ENeG 2014

8/17/2019 Brennersteuerungen Hr Janssen ENeG 2014

1/37

Energie effizienterzeugen, verteilen, nutzen

11. Workshop „Krematorien“9. und 10. April 2014

in Bremen

Neue Anforderungen an Brennersteuerungen fürKremationsöfen unter Berücksichtigung der neuen

VDI 3891 (Stand März 2013)

Rainer Janßen

eNeG Vertrieb und Service GmbHHamburg


2/37

2


Herleitung aus der VDI 3891

Anforderungen aus der DIN EN 50156-1


Berechnungen

Fragen zur Umsetzung in Krematorien

Zusammenfassung und Fragen

Inhalt


3/37

3


• Schutz des Betriebspersonals

• Einhaltung der genehmigungsrechtlichen Auflagen,

insbesondere der Emissionsgrenzwerte

• Schutz der anlagentechnischen Bauteile

VDI 3891 Stand März 2013

Hinsichtlich der geforderten Sicherheitsstrategie ist dieProzesssteuerung auf folgende Zielsetzungen auszurichten:

Unter Punkt 5.8 (Prozesssteuerung) wird aufgeführt:


4/37

4


Entsprechend den Vorschriften der DIN EN 50156-1 (VDE 0116-1) sind

sicherheitstechnisch relevante Abläufe separat und unabhängig von derProzesssteuerung als Hardware- oder gegebenenfalls als Software-Ausführungzu installieren. Hierbei sind u.a. auch folgende technische Regeln zu beachten:

DIN EN 267, DIN EN 676, DIN EN 746-1, DIN EN 746-2 , DIN EN 12828,DVGW-TRGI G 600.

VDI 3891 Stand März 2013

Unter Punkt 5.8 (Prozesssteuerung) wird aufgeführt:


5/37

5


DIN EN 50156-1(Elektrische Ausrüstung von Feuerungsanlagen)

DIN EN 746-2(Industrielle Thermoprozessanlagen, - Sicherheitsanforderungen an Feuerungen

und Brennstoffführungssysteme)

Grundlage der Betrachtungen sind dieAusführungen in folgenden Normen:


6/37

6





Berechnungen



Inhalt


7/37

7


Anforderungen aus der DIN EN 50156-1 (Stand 2004)

Diese Norm gilt für die Anwendungsplanung und Errichtung von elektrischer

Ausrüstung, Leittechnik und Sicherheitssystemen für Feuerungen, die mit festen,

flüssigen oder gasförmigen Brennstoffen betrieben werden und ihren Nebenanlagen.Sie legt Anforderungen dafür fest, die Betriebsbedingungen in Feuerungsanlagen zuerfüllen, die Risiken der Verbrennung zu reduzieren, und die beheizten Systeme vor

Schäden zu schützen.

Solche Feuerungsanlagen und die elektrische Ausrüstung können z.B. Bestandteil von

folgenden Anlagen sein:…….

b) Dampfkesselanlagen (Dampf-Heizkessel) und Abhitzekessel

…….e) Wärmeübertragungsanlagen

…….

Abschnitt 1 Anwendungsbereich


8/37

8



Alle Einrichtungen, Geräte und Sicherheitsstromkreise deren Hauptzweck dem Schutz

von Personen, der Anlage oder der Umwelt dient. Das System beinhaltet alle

Komponenten die zur Ausführung der Sicherheitsfunktionen erforderlich sind, z.B.

Signalgeber, die sicherheitsrelevanten Größen (z.B. Flammenwächter), Geräte für dieUnterbrechung der Brennstoffzufuhr, die Belüftung des Feuerraumes und den Schutz

des beheizten Systems.

Ein Schutzsystem besteht typischer Weise aus Signalgebern, einer Schutzeinrichtung,

die die Signale logisch verarbeitet und Stellgeräten.

Abschnitt 3.40 Schutzsystem


9/37

9



Wahrscheinlichkeit eines sicherheitsgerichteten Systems, all die geforderten

Sicherheitsfunktionen unter allen Bedingungen innerhalb einer festgelegten Zeitspanne

zufriedenstellend auszuführen. Es gibt 4 mögliche diskrete Stufen die für die

Festlegung der sicherheitsbezogenen Zuverlässigkeits-Anforderungen derSicherheitsfunktionen, die dem sicherheits-relevanten System zuzuordnen sind.

Sicherheitsanforderung 4 hat das höchste Niveau der sicherheitsbezogenen

Zuverlässigkeit, Stufe 1 die niedrigste.

Abschnitt 3.42 sicherheitsbezogene Anforderungsstufe


10/37

10



….

Risiken, die mit Gefahren durch die elektrische Ausrüstung verbunden sind

(und auch durch das Verfahren) verbunden sind, müssen als Teil der

Gesamtanforderung für die Risikobewertung von Feuerungs- oderKesselanlagen beurteilt werden.

Die Risikobewertung muss für jede einzelne Situation durchgeführt werden.

Die Risikobewertung enthält folgende Elemente, für die die Norm Anleitung gibt:

a) Feststellung der Gefahren

b) Ermittlung der Wahrscheinlichkeit aller Gefahrenc) Bewertung der Risiken

d) Betrachtung von Maßnahmen zur Reduzierung der Risiken

Abschnitt 4.1 Allgemeine Betrachtungen


11/37

11





Berechnungen



Inhalt


12/37

12



Abschnitt 5.2.3.2 „Vorspülung der Brennkammer“-Der Brenneranlauf oder Wiederanlauf nach einer Störabschaltung darf erst erfolgen wenn sichergestellt ist, dass sich in der / den Brennkammer/n inkl. der verbundenenBereiche der Abgasanlage kein brennbares Gemisch mehr befindet.(in einen Krematoinsofen heißt das im Ofen und im Abgasweg bis zum

Schornsteineintritt)-Die Dauer der Vorspülung muss sicherstellen, dass die Konzentration brennbarer Bestandteile in allen Teilen unterhalb von 25% der unteren Zündgrenze des Brenngasesliegt.

-Im allgemeinen sind 5 vollständige Luftwechsel von der / den Brennkammer/n mit den verbundenen Bereichen des Abgasweges ausreichend, Der Luftvolumenstrom für dieVorspülung muss mindestens 25% des maximal möglichen Brennerluftvolumenstroms betragen.

-das System, das die Dauer der Vorspülung und die erforderliche Luftmenge sicherstellt

muss den Anforderungen des Schutzsystems nach DIN EN 50156-1 entsprechen.


13/37

13



Abschnitt 5.2.3.2 „Vorspülung der Brennkammer“

Ausnahmen!!

-wenn sichergestellt ist, dass in der Brennkammer eine Temperatur > 750°C herrscht

-wenn bei einem Mehrbrennersystem mindestens 1 Brenner in Betrieb bleibt,dies gilt auch bei Brennerstörungen (z.B. nach Flammenausfall)

-wenn nach einer Regelabschaltung der Brenner nach Temperaturanforderung erneut startet, solange der Brenner mit 2 gleichzeitig schließenden Ventilen der Klasse A nach EN 161 sowie einer Ventildichtheitskontrolle ausgerüstet ist

Auf eine Vorbelüftung mit 5-fachem Luftwechsel kann verzichtet werden:


14/37

14





Berechnungen

Fragen zur Umsetzung in Krematorien Zusammenfassung und Fragen

Inhalt


15/37

15


Ofen:

Fuchs zwischen Ofen und AWT:

Abgaswärmetauscher (AWT):

Abgasrohr zwischen AWT und Filter:

Drallabscheider (Zyklon):

Filter:

Abgasweg zwischen Filter und Schornstein:

Berechnung der Vorspülzeit bei 5-fachen Luftwechsel

Abgasvolumen zwischen Ofen und Schornstein

5,10 m³

5,60 m³

1,45 m³

0,75 m³

0,05 m³

4,00 m³

0,90 m³Gesamtabgasvolumen: 17,85 m³

Bei einem 5-fachen Luftwechsel müssen 89,25 m³ Brennerluft gefördert werden


16/37

16


eingestellte maximale Feuerungsleistung von 1000 kW ≈


Brennerluftvolumenstrom bei maximaler Feuerungsleistung

1250 m³/h Brennerluftvolumen

Abgasvolumen 5-fachBrennerluftvolumen in der Min.

0,35 m³/Sek Brennerluftvolumen

Vorspülzeit bei 100 % Brennerluftvolumenstrom =

89,25 m³0,35 m³/Sek

255 Sekunden

≈

=

=

Berechnung der Vorspülzeit nach DIN EN 746-2


17/37

17


Bei einer Besprechung mit einer ZÜS über diese Steuerung kam zur Sprache, dass inAnlehnung an die TRD auch ein 3-facher Luftwechsel ausreichen könnte


Bei 3-fachem Luftwechsel würde sich die Vorspülzeit, unter Berücksichtigung der

vorgenannten Eckdaten für Abgasvolumen und Brennerluftvolumenstrom, von255 Sekunden auf 153 Sekunden reduzieren. Dies gilt jedoch nur, wenn keine fallenden

Züge vorhanden sind und mindestens mit 50% des maximal möglichenBrennerluftvolumenstroms vorgelüftet wird.

ZÜS = zugelassene Überwachungsstelle z.B. TÜV


18/37

18





Berechnungen


Inhalt


19/37

19


Aufgrund der vorgenannten Vorschriften und Richtlinien ergeben sich fürdie Umsetzung in Kremationsanlagen folgende Fragen:

Welche Temperaturmessung in einem Kremationsofen ist für dieMindesttemperaturüberwachung von 750°C relevant?

Bei welchen Betriebszuständen ist die geforderte Vorbelüftung mit 5-fachemLuftwechsel erforderlich?

Mit welcher Sensorik und mit welchem System kann sichergestellt werden,dass die geforderte Spülluftmenge auch tatsächlich den Abgasweg durchströmt?

Wie muss ein Steuerungssystem dass alle genannten Forderungen, insbesonderedie Forderung “Schutzsystem nach DIN EN 50156-1“ erfüllt aufgebaut sein?

Wie sieht es mit bestehenden Anlagen und Steuerung aus?Muss aufgrund der neuen Forderungen aus der VDI 3891 nachgerüstet werden?

Welche Anforderungen an die Vorspülung des Abgaswegs besteht bei demWiederanfahren nach Auslösung der Sicherheitskette?


20/37

20


Welche Temperaturmessung in einem Kremationsofen ist für dieMindesttemperaturüberwachung von 750°C relevant?

Nur in dieser Brennkammer können die brennbaren Schwelgaseentstehen.

Messstelle für die Mindesttemperaturüberwachung ist dieTemperaturmessung in der Hauptbrennkammer.

Aufgrund der niedrigen Regeltemperatur in der Hauptbrennkammer(max. 800°C) kann überlegt werden die Grenztemperaturüberwachung

auf 700°C herabzusetzen.(die Zündtemperatur von CO liegt bei 605°C)

(Dies muss noch abschliessend mit der “ZÜS” abgeklärt werden)

Die Temperaturmessung für die Hauptbrennkammer muss der gefordertenSicherheitsstufe für das Schutzsystem entsprechen


21/37

21


Bei welchen Betriebszuständen ist die geforderte Vorbelüftung mit 5-fachemLuftwechsel erforderlich?

Bei jedem Neustart des Ofens z.B Start bei Schichtbeginn muss der Ofenmit einem 5-fachen Luftwechsel durchspült werden

Bei jedem Neustart eines Brenners, solange keine der vorgenanntenAusnahmebedingungen erfüllt ist.


22/37

22


Welche Anforderungen an die Vorspülung des Abgaswegs besteht bei demWiederanfahren nach Auslösung der Sicherheitskette?

Solange die Hauptbrennkammertemperatur > 750°C ist, kannder Ofen nach Entriegelung der Sicherheitskette ohne Vorspülung

mit 5-fachem Luftwechsel wieder angefahren werden

Bei einer Hauptbrennkammertemperatur < 750°C ist folgende Vorgehensweise denkbar:Die Entriegelung der Sicherheitskette darf erst erfolgen, wenn ein eingewiesenerBediener sich visuell davon überzeugt hat,

dass in der Hauptbrennkammer eine Flammenbildung am Einäscherungsgut erfolgt ist.Der Vorgang ist im Betriebsbuch der Anlage mit Name Datum und Zeit zu dokumentieren.

Ein Neustart der Brenner kann, in diesem Fall, ohne Vorspülungmit 5-fachem Luftwechsel erfolgen

ACHTUNG!!!!

Diese Vorgehensweise ist in jedem Fall mit der “ZÜS“ vorab abzustimmen


23/37

23



-Erfassung des Abgasvolumenstromes mittels Strömungsmessung hinter dem Saugzuggebläse

Analoge Signale an das Steuerungssystem in Ausführung als„Schutzsystem nach DIN EN 50156-1“

-Erfassung der Drehzahl des Saugzuggebläses mittels einer sicherheitsgerichteten Messung

-Erfassung des Ofenunterdruckes in der Hauptbrennkammer

(Unterdruck im Ofen ist ≤ 0 mbar)

(das Abgasvolumen entspricht mindestens der berechneten Brennerluftmenge für die Vorbelüftung)

(Istwert entspricht einer vorher festgelegten Mindestdrehzahl)


24/37

24



Digitale Signale an/vom Steuerungssystem in Ausführung als„Schutzsystem nach DIN EN 50156-1“

- Saugzuggebläse ist in Betrieb

- Brennerluftgebläse ist freigegeben und in Betrieb

- Luftdruckschalter hat durchgeschaltet (Min-Druck vorhanden)

- Luftklappe Hauptbrenner ist auf

- Luftklappe Ausbrenner ist auf

- Luftklappe Nachbrenner ist auf


25/37

25


Wie muss ein Steuerungssystem dass alle genannten Forderungen,insbesondere die Forderung “Schutzsystem nach DIN EN 50156-1“,

aufgebaut sein?

Die Sicherheitsanforderungsstufe ist ein Begriff aus dem Gebiet der

funktionalen Sicherheit und wird in der internationalen Normung gemäßIEC 61508/IEC61511 auch als Sicherheits-Integritätslevel (SIL) bezeichnet.Sie dient der Beurteilung elektrischer/elektronischer/programmierbar elektronischer

Systeme in Bezug auf die Zuverlässigkeit von Sicherheitsfunktionen.Aus dem angestrebten Level ergeben sich die sicherheitsgerichteten

Konstruktionsprinzipien, die eingehalten werden müssen, damit das Risiko einerFehlfunktion minimiert werden kann

Festlegung der Sicherheitanforderungsstufe für das Steuerungssystem


26/37

26



aufgebaut sein?

Festlegung der Sicherheitanforderungsstufe für das Steuerungssystem

Je höher der Zahlenwert (1-4) des SIL ist, desto größer ist die Risikoreduzierung.

Der SIL ist damit das Maß der Wahrscheinlichkeit, dass die Sicherheitssystemedie geforderten Funktionen für einen bestimmten Zeitraum erfüllen

max. akzeptierter Ausfall des SIS

SIL 1 = ein gefährlicher Ausfall in 100.000 StundenSIL 2 = ein gefährlicher Ausfall in 1.000.000 StundenSIL 3 = ein gefährlicher Ausfall in 10.000.000 StundenSIL 4 = ein gefährlicher Ausfall in 100.000.000 Stunden


27/37

27


Festlegung der „SIL-Klasse“ für Krematorien mit der qualitativen Methode

Die qualitative Methode ist ein vereinfachtes Modell, das gut aufzeigt,

bei welchen Gefahren welcher SIL gefordert ist

X

X

X

X


28/37

28


Festlegung der „SIL-Klasse“ für Krematorien mit der qualitativen Methode

Aus der eben durchgeführten “vereinfachten“ Gefahrenanalyseergibt sich eine Sicherheitsanforderungsstufe für das

Brennersteuerungssystem:

SIL 2


29/37

29


Das Steuerungssystem muss den Anforderungen der SIL 2 entsprechen.


aufgebaut sein?

Neben der Steuerung und Überwachung der Gasbrenner muss dieses System auch

die unterschiedlichen Vorbelüftungen sicher steuern, regeln und überwachen

Es ist noch zu klären, ob ein marktgängiges Feuerungsmanagmentsystem durchUmprogrammierungen und Umparametrierungen den genannten Anforderungen

entsprechen kann

Durch die Komplexität der Anforderungen an das Steuerungssystem sollte einefreiprogrammierbare Steuerung (fehlersichere SPS) zum Einsatz kommen.

Die momentan eingesetzten Feuerungsautomaten ( BCU, IFS, LFL…) können

insbesondere die Überwachung der Vorbelüftung nicht, wie gefordert, abbilden.


30/37

30



aufgebaut sein?

Die in den bestehenden Anlagen installierte Sensorik und Aktorik für die Brenner undentsprechenden Gebläse (SZG und BLG) kann beibehalten werden.

Zusätzlich muss eine Volumenstrommessung im Abgaskanal nach dem Saugzuggebläse

und pro Brenner ein Flammenwächter für Ionisationsüberwachung installiert werden.

ACHTUNGDas Steuerungssystem muss vor der Inbetriebnahme an der Anlage durch eine

“ZÜS“ abgenommen werden

Der vorhandene Keilriemenwächter des Saugzuggebläses muss durch eine

Drehzahlüberwachung nach SIL 2 ersetzt werden.Der Messumformer für das Thermoelement HBK muss durch einen Messumformer nach

SIL 2 ersetzt werden.


31/37

31


vorhandeneSPS/DDC OfenlinieAnderes Fabrikat

Schutzsystemnach DIN EN 50156-2

SPS/DDC

Kommunikation über Bussystem (Profibus)oder Hardwareschnittstelle Signalaufschaltung zur Visualisierung

Signalaufschaltungzur Abschaltung Brenner

Nachrüstung des Schutzsystem in einer bestehenden Anlage

= Kommunikation / Datenaustausch


32/37

32


= Kommunikation / Datenaustausch

Integration des Schutzsystem bei Neubau einer Anlage

AufschaltungDer Sicherheitsgeräte

neue SPS

Ofenlinie

Schaltbefehle


33/37

33


Wie sieht es mit bestehenden Anlagen und Steuerung aus?Muss aufgrund der neuen Forderungen aus der VDI 3891 nachgerüstet werden?

Nach Rücksprache mit einer ZÜS besteht für die vorhandenen Anlagenund Steuerungen „Bestandsschutz“

Bei wesendlichen Änderungen an der Anlage (z.B. Erneuerung der Feuerungenoder der Anlagensteuerung) müssen allerdings die neuen Anforderungen

an die Brennersteuerung und -regelung umgesetzt werden.


34/37

34





Berechnungen


Inhalt


35/37

35


Zusammenfassung

- Die wesendliche Änderung im Normenwerk zur Brennersteuerung an Kremationsöfen

bezieht sich auf die Vorbelüftung der Rauchgaswege- Die Vorlüftzeit errechnet sich aus dem tatsächlich vorhandenem Volumen desAbgasweges der jeweiligen Ofenlinie, dem maximalen Brennerluftvolumenstrom aufGrund der eingestellten maximalen Brennerleistung am Ofen und der Anforderungwievielmal ( 3/5 x) durchlüftet werden muss

- Die Überwachung der Vorbelüftung mit einem ausreichenden Luftvolumenstromist in das Schutzsystem der Brennersteuerung zu integrieren

- Zur Festlegung der Sicherheitsanforderungsstufe des Schutzsystems ist immer eineGefahren-/Risikoanalyse nötig

- Das Schutzsystem ist nach der Installation und vor der endgültigen Inbetriebnahmedurch eine “ZÜS“ abzunehmen, eine “ZÜS“ sollte schon bei der Planung miteinbezogen werden

- Für bereits vorhandene und in Betrieb befindliche Anlagen besteht Bestandsschutz


36/37

36


Fragen

?


37/37


Vielen Dank für Ihr Interesse

11. Workshop „Krematorien“9. und 10. April 2014

in Bremen

Neue Anforderungen an Brennersteuerungen für

Kremationsöfen unter Berücksichtigung der neuenVDI 3891 (Stand März 2013)

Quellen:VDI 3891 (Stand März 2013), DIN-EN 50156-1 (Stand 2004), DIN-EN 746-2 (Stand 2011) und Siemens Broschüre “process AUTOMATION“ April 2007

Brennersteuerungen Hr Janssen ENeG 2014

Documents

Transcript of Brennersteuerungen Hr Janssen ENeG 2014