Nachhaltige Wasseraufbereitung für den sicheren Betrieb von Kesselhäusern

Welche Risiken bestehen bei der Wasseraufbereitung in Kesselhäusern?

Ausgangssituation / Ist-Analyse

Als Kesselspeisewasser wird Wasser bezeichnet, welches in einem Speisewasserbehälter vorgehalten wird und kontinuierlich einem Dampferzeuger zugespeist wird. Besonders große Mengen an Speisewasser werden bspw. zur Dampferzeugung in Kraftwerken eingesetzt, um mit dem erzeugten Wasserdampf verfahrenstechnische Prozesse oder den Antrieb der Dampfturbinen / Dampfmaschinen zu steuern.
Hierbei wird speziell aufbereitetes Speisewasser benötigt, welches bestimmte Anforderungen zu erfüllen hat, um verminderte Leistungsfähigkeit und Schäden an der Anlage zu vermeiden.

Die Herausforderungen in der Aufbereitung von Kesselspeisewasser liegen in

• zu niedrigen oder zu hohen pH-Werten
• im Wasser gelösten Gasen wie Sauerstoff und Kohlendioxid
• zu viel Silikat
• schäumenden Kesselwasser
• verunreinigtem Kondensat
• der Sodaspaltung
• ineffizienten / falschen Chemikalien
• der Kesselkorrosion
• der ungenügenden technischen Aufbereitung von Rohwasser
• der ungenügenden Speisewasseraufbereitung

Hierdurch bilden sich wasserseitige Ablagerungen wie Korrosion, Kesselstein, Kalk, Sulfate, Silikate und Calciumphosphaten, welche zu einer schlechteren Wärmeübertragung und dadurch bedingten thermischen Spannungsrissen führen können. Dies führt zu einem schlechteren Wirkungsgrad der Anlage. Neben der sinkenden Effizienz der Anlage steigen Kosten für die Wartung und Instandhaltung.

Ziele in der Speisewasseraufbereitung im Kesselhaus

Ziele / Geschäftsanforderungen

Ziel der Wasseraufbereitung ist die Erreichung eines langjährigen störungsfreien Betriebs der Kesselspeisewasseranlagen durch eine optimale Speise- und Kesselwasserqualität.

Wasser aus natürlichen Quellen entspricht ausnahmslos nicht den Qualitätsanforderungen, abhängig von Konstruktion und Betriebsweise des Dampfkessels, die in europäischen Normen wie z.B. EN 12952-12 und EN 12953-10 sowie in anderen Regelwerken wie z.B. VGB und VdTÜV verankert sind.

Ziel ist es mithilfe verschiedener Wasseraufbereitungsverfahren die Qualität des Speisewassers, Zusatzwassers und Kesselwassers gemäß Normen und Regelwerken zu erreichen.
Die Erhöhung der Wirtschaftlichkeit der Kesselanlage durch einen reibungslosen Betrieb sowie Senkung von Reparatur- und Instandhaltungskosten durch die Verlängerung der Lebensdauer von Rohrsystemen und Kesseln stehen hierbei im Fokus.

Ergänzend sollen mit Installation einer nachhaltigen Wasseraufbereitung Energiekosten durch Vermeidung von Ablagerungen im Kessel und damit einhergehend die Wärmeübertragung optimiert werden.

Zusammengefasst ergeben sich folgende Vorteile aus der o.g. Zielbeschreibung bei Installation einer nachhaltigen Wasseraufbereitung:

• Vermeidung von Kesselsteinbildung
• Vermeidung von verschlammten Rohrleitungen, Pumpen, Kondensatoren und Wärmetauschern
• Rostschutz in der gesamten Anlage
• Verbesserte Wärmeübertragung

und bedingt durch diese Faktoren

• Werterhalt der gesamten Kesselspeisewasseranlage

Untersuchte Lösungsvarianten

Durch die Inspizierung der Kesselspeisewasseranlagen, der Analyse von Zusatzwasser, Speisewasser und Kesselwasser sowie der Analyse der technischen und chemischen Aufbereitung des Wassers ergeben sich unterschiedliche Lösungsvarianten. Diese erstrecken sich über kleinste Stellschrauben bei der Rohwasseraufbereitung bis hin zur Etablierung kontinuierlicher Kontrollsysteme von Parametern wie Wasserhärte, Carbonathärte und Leitfähigkeit.

Die Lösungsvarianten sind abhängig von dem vorhandenen System. Allerdings sind zur Steigerung der Effizienz und Betriebssicherheit immer eine Kombination aus technischer und chemischer Wasseraufbereitung notwendig.

Hierzu lohnt sich der Blick auf die zentralen Bausteine einer Dampferzeugungsanlage:

• Kesselwasseraufbereitung
• Dampferzeuger, Dampfkessel
• Dampfleitungen
• Verbraucher
• Kondensat

In jeder Dampfanlage existieren somit mindestens 2 Stellen, an denen sich der Aggregatzustand des Arbeitsmediums Wasser ändert:

1. Durch die eingesetzte Wärme (Verdampfungswärme) entsteht Wasserdampf aus Wasser
2. Der Wasserdampf gibt seine Wärme (Kondensationswärme) wieder ab und es entsteht erneut Wasser (Kondensat)

Die Kesselspeisewasseraufbereitung gliedert sich dementsprechend in 2 Schritte.

Schritt 1 (Erste Behandlung des Kesselspeisewassers):

• Vorfiltration: Entfernung von Eisen und Mangan durch Filtration
• Enthärtung: Entfernung der Härtebildner Calcium und Magnesiumionen
• Entsalzung: Entfernung aller gelösten Salze durch Umkehrosmose / Ionentauscher
• Entgasung: Entfernung gelöster, korrosiver Gase CO2 und O2 durch thermische Entgasung

Wasseraufbereitung in Kesselhäusern, zweiter Schritt

Durch thermische Vollentgasung können die gelösten Gase entfernt werden. Dadurch wird Lochfraß im Dampfkessel verhindert.

Schritt 2 (Zweite Behandlung nach der physikalischen Aufbereitung):

• Sauerstoffbindemittel: z.B. Natriumsulfit (Na2SO3)
• Kesselsteingegenmittel: z.B. Trinatriumphosphat (Na3PO4)
• Korrosionsschutzmittel (filmbildende Aminen): z.B. Duomeen O, Naylamul S11
• Alkalisierung (ph-Korrektur): z.B. Diethlyaminoethanol (DEHA)

Im Anschluss wird das chemisch und thermisch aufbereitete Speisewasser mittels Probenahme überprüft und ggf. mittels Dosierung von Chemikalien korrigiert.

Nach diesen Schritten ist das Kesselspeisewasser aufbereitet und die Aufbereitungsanlage installiert.

Für die erforderliche kontinuierliche Prozesskontrolle bieten sich folgende Überwachungs- und Messgeräte an (siehe auch schematische Darstellung):

• Steuerungen für die Enthärtungsanlage
• Steuerungen für die Umkehrosmoseanlage
• Geräte für die Überwachung der Resthärte im Nachspeisewasser
• Leitfähigkeit-Messgeräte
• pH-Wert Messgeräte
• Geräte für die Überwachung der Sulfitkonzentration im Speisewasser
• Geräte für die Überwachung von ortho-Phosphat oder Polymer
• Vier-Kanal-Multiparameter Transmitter zur Visualisierung

Wie genau gelingt jetzt die Optimierung der Kesselspeisewasseranlage?

Mit einer professionellen Kalkulation der Kesselwasseraufbereitung, in der die Speisewasserqualität und die Betriebsweise eine wichtige Rolle spielen, können die richtigen Maßnahmen ermittelt werden.

Auf Basis der Kalkulation erfolgt eine Auswahl von Produkten zur effizienten technischen und chemischen Aufbereitung des Wassers. Hierbei gibt es Anwendungsfälle, bei denen mit einem einzigen Produkt ein reibungsloser und langlebiger Betrieb der Anlagen gewährleistet wird. Häufig ist jedoch eine Kombination verschiedener Produkte sinnvoll.

Dies zeigt, dass es keine Kesselspeisewasseraufbereitung „par excellence“ gibt, da Qualität und Zusammensetzung von Kesselwasser, Speisewasser und Zusatzwasser stark variieren sowie die unterschiedlichen Druckstufen von Dampferzeugern berücksichtigt werden müssen.

Aus diesem Grund bieten wir unseren Kunden ein umfassendes Konzept von der Beratung über die Analyse der Wasserparameter bis hin zur Erstellung eines individuellen Konzepts für die Wasseraufbereitung in Kesselspeisewasseranlagen an.

Die Lösungsvarianten sind an Ihrer Kostenoptimierung sowie Nutzenerhöhung ausgerichtet.
Die Auswahl des Wasseraufbereitungsverfahren hängt neben dem Budget davon ab wie viel Effizienz, Sicherheit und Wirtschaftlichkeit erreicht werden soll.

Einmalig anfallende Kosten:

• Beratungs- und Planungskosten
• Investitionskosten für Messgeräte zur Überwachung der Wasserhärte, Carbonathärte und Leitfähigkeit

Der ROI der Anlageninvestition wird in der Regel innerhalb des ersten Jahres erreicht.

Folgende Kostenpunkte werden durch eine nachhaltige Wasseraufbereitung optimiert:

Periodisch anfallende Kosten:

• Reduktion der Kosten für Chemikalien zur Aufbereitung des Kesselwassers, Speise- und Zusatzwassers
• Reduktion der Wartungs- und Instandhaltungskosten durch einmal jährliche Serviceeinsätze

Laufend anfallende Kosten:

• Energieeinsparung beim Betrieb der Anlagen durch optimierte Wärmeübertragung
• Steigerung von Umsätzen durch geringere Stillstandzeiten, weniger Produktionsausfälle und geringeren Wartungsaufwand

Weiterhin ergeben Sich nicht primär monetäre Vorteile aus der Investition:

• Einsparung von Arbeitszeit in den Abteilungen, Reparatur, Wartung und Instandhaltung
• Kürzere Prozesslaufzeiten
• Ökologisch nachhaltige Wasseraufbereitung
• Gesteigerte Mitarbeiterzufriedenheit durch reibungslose Betriebsabläufe

Risikoanalyse

Die Kosten von Anlagenausfällen messen sich nicht nur an den tatsächlichen Ausfallzeiten, sondern auch an dem Zeitaufwand und den Kosten, die damit verbunden sind, die Anlage wieder betriebsbereit zu machen. Weiterhin muss berücksichtigt werden inwiefern übergeordnete Prozesse und Leistungen zwischenzeitlich durch diese Störung beeinträchtigt wurden. Deshalb ist es von entscheidender Bedeutung, dass die Leistungsfähigkeit des gesamten Systems beibehalten wird.

Durch eine professionelle Überwachung der Wasseraufbereitung und die damit verbundene Früherkennung von Leistungseinbußen können Schäden vermieden sowie Ausfallzeiten und Umsatzverluste reduziert werden.

Empfehlung, Entscheidungsvorlage

Analyse und Bewertung des vorhandenen Kesselwasseraufbereitungsprozess inklusive Erstellung eines individuellen Konzepts für die nachhaltigen Wasseraufbereitung in Kesselanlagen.

Auf Basis der individuellen Konzeptvorschläge werden Mess- und Überwachungsgeräte an der Wasseraufbereitungsanlage installiert, abhängig vom erwünschten Zielerreichungsgrad bei Effizienz, Sicherheit und Wirtschaftlichkeit.