DE102014203863A1

DE102014203863A1 - Sensor-Vorrichtung und Verfahren zur Analyse eines Gasgemischs in einem Prozessraum

Info

Publication number: DE102014203863A1
Application number: DE102014203863.4A
Authority: DE
Inventors: Holger Hackstein; Jakob Löschke; Thomas Vontz; Erhard Magori
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority date: 2014-03-04
Filing date: 2014-03-04
Publication date: 2015-09-10
Also published as: CN104977190A

Abstract

Zur Analyse eines in einem Prozessraum befindlichen Gases mit Hilfe eines beabstandet zum Prozessraum angeordneten Gassensors muss ein Gasstrom des zu analysierende Gases von dem Raum zu dem Gassensor erzeugt werden. Der Gassensor wird in einem Gehäuse angeordnet, welches über eine Gaszuführung mit dem Raum verbunden ist. Das Gehäuse weist einen Schallwandler zur Erzeugung des Gasstroms im Gehäuse auf. Der Schallwandler erzeugt im Gehäuse einen Sog, der bewirkt, dass Gas aus dem Prozessraum über die Gaszuführung zum Gehäuse und zum Gassensor gesogen wird.

Description

Die Erfindung betrifft die Analyse eines Gasgemischs, das in einem Prozessraum vorliegt, und im Speziellen das gezielte Erzeugen eines Stroms des zu analysierenden Gases von dem Prozessraum zu einem beabstandet vom Prozessraum angeordneten Gassensor.
Beim Betrieb einer industriellen Anlage, bei der Gase erzeugt oder verarbeitet werden, deren Parameter wie bspw. Zusammensetzung, Temperatur etc. überwacht werden müssen, kommen entsprechende Gassensoren zum Einsatz. Häufig können derartige Gassensoren jedoch nicht direkt am Messort positioniert werden, da dort für den Sensor ungeeignete Bedingungen vorherrschen wie bspw. zu hohe Temperaturen. Um die Gasparameter dennoch bestimmen zu können, ist es erforderlich, die Sensoren in einem geeigneten Abstand vom Messort zu platzieren. Das zu analysierende Gas muss dem Gassensor in diesem Fall vom Messort über eine geeignete Zuleitung zugeführt werden.
Bspw. werden in der DE 10 2012 217 596 zur Messung von korrosiven Bedingungen in einem Kessel eines Heizkraftwerks Sensoreinrichtungen eingesetzt, die eine Gasdurchführung durch die Kesselwand mit einer Öffnung zum Inneren des Kessels und eine Sensorkammer außerhalb des Kessels aufweisen. In der Sensorkammer ist ein Sensorelement zur Detektion der Stöchiometrie einer im Kessel stattfindenden Verbrennung angeordnet, um u.a. zur Verbesserung der Energieeffizienz sowie zur Begrenzung der Emissionen die Verbrennung zu überwachen. Der Sensor in der Sensorkammer ist demnach von dem eigentlichen Messort getrennt angeordnet.
Falls sich nun das Messgas in einem Bereich mit einem Unterdruck oder generell mit variierenden Druckbedingungen befindet, muss das Gas zur Sicherstellung einer durchgehenden und zuverlässigen Überwachung aktiv vom Messort zum Sensorelement befördert werden. Hierzu kommen in der Regel separate Pumpen zum Einsatz, die einen Teil des Gases vom Messort absaugen und zum Sensorelement in der Sensorkammer befördern. Eine solche externe Pumpe stellt jedoch einen zusätzlichen Aufwand für das Gesamtsystem dar, wobei sich neben den entsprechenden zusätzlichen Kosten auch die eingeschränkte Betriebssicherheit und die endliche Lebensdauer der Pumpe negativ niederschlagen.
Um diese durch die Verwendung der Pumpe verursachten Nachteile zu umgehen, kann das System bspw. ohne Pumpe betrieben werden, wobei als Transportmechanismus für das Gas vom Messort zum Sensorelement die ohnehin vorhandene Diffusion des Gases verwendet wird. Dies verzögert die Messung jedoch erheblich.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Möglichkeit zur Analyse eines Gases in einem Prozessraum anzugeben, bei der die oben aufgeführten Nachteile bzgl. der Erzeugung des Gasstroms vom Raum zum Gassensor ausgeräumt sind und bei der gewährleistet ist, dass der Gassensor während des Betriebs der Vorrichtung mit Gas überströmt ist.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen in Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen in Anspruch 11 gelöst. Die jeweiligen Unteransprüche betreffen vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung.
Die erfindungsgemäße Sensorvorrichtung zur Analyse eines Gases in einem Prozessraum weist ein Gehäuse auf sowie einen Gassensor zur Analyse zumindest eines Teils des Gases, wobei der Gassensor an einer bestimmten Position im Gehäuse angeordnet ist. Weiterhin weist die Sensorvorrichtung eine Gaszuführung zur Verbindung des Gehäuses mit dem Prozessraum zur Zuführung des Teils des Gases aus dem Prozessraum in das Gehäuse und zu der bestimmten Position auf. Ferner umfasst die Sensorvorrichtung eine Gasabführung zum Abführen des Gases aus dem Gehäuse. Die Sensorvorrichtung zeichnet sich durch einen Schallwandler zur Erzeugung eines Gasstroms zumindest eines Teils des Gases vom Raum über die Gaszuführung in das Gehäuse zu der bestimmten Position und weiter zur Gasabführung aus.
Hierdurch wird vorteilhaft ein definierter und verlässlicher Gasstrom zum Gassensor erreicht.
Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Sensorvorrichtung sind beispielsweise:

– Der Schallwandler kann ein Ultraschallwandler, insbesondere eine piezoelektrische Sonotrode sein. Piezoelektrische Sonotroden erzeugen neben der eigentlichen Ultraschallschwingung auch einen vom Wandler weg gerichteten Luftstrom, den sogenannten Ultraschallwind. Sie sind klein, robust und flexibel bzgl. der Schallfrequenz und Amplitude. Vorteilhaft umfasst der Schallwandler keine beweglichen Teile, die durch Verschmutzung gestört werden können und unterliegt keinem wesentlichen Verschleiß.
– Die Sensorvorrichtung kann eine Ansteuerelektronik für den Schallwandler umfassen, die ausgestaltet ist, mittels des Schallwandlers Schall mit Frequenzen oberhalb von 25 kHz zu erzeugen. Mit anderen Worten wird Ultraschall verwendet, der keine Lärmbelastung darstellt.
– Die Sensorvorrichtung kann eine Heizvorrichtung zum Aufheizen des Gases im Gehäuse zum Auslösen einer thermischen Konvektion sowie ein Steigrohr umfassen, wobei das Steigrohr derart angeordnet ist, dass der durch die Heizvorrichtung aufgeheizte Teil des Gases im Steigrohr aufsteigt. Hierdurch wird eine zusätzliche den Gasstrom verstärkende Kraft eingebracht.
– Die Heizvorrichtung kann eine Beheizung für ein Sensorelement des Gassensors umfassen. Ist der Gassensor ohnehin beheizt, kann also die Beheizungseinrichtung des Gassensors zur Verstärkung des Gasstroms mit genutzt werden, sofern ein Steigrohr vorliegt, also ein Teil des Gehäuses oder der Gasführungen, der im Betrieb außerhalb der Horizontalen und vom beheizten Ort an aufwärts verläuft.
– Die Heizvorrichtung kann ein Peltierelement umfassen. Ein solches stellt eine Wärmequelle von geringer Größe dar. Besonders vorteilhaft ist es, wenn im Gehäuse zusätzlich zum Steigrohr ein Fallrohr vorgesehen ist und das Peltierelement so eingebracht ist, dass es Wärme aus dem Bereich des Fallrohres in den Bereich des Steigrohres verschiebt.
– Die Sensorvorrichtung kann einen halbleiterbasierten Gassensor umfassen. Diese sind einfach und günstig herstellbar und weisen hohe Sensitivitäten auf bei geringer Selektivität, sind also besonders gut in eng definierten Umgebungen wie beispielsweise bei Verbrennungsvorgängen.
– Die Sensorvorrichtung kann vorteilhaft im Feuerraum eines Kraftwerks zum Einsatz kommen. Der Feuerraum umfasst eine den Feuerraum begrenzende Feuerraumwand und eine Sensorvorrichtung, wobei Gaszuführung und Gasabführung die Feuerraumwand durchdringend angeordnet sind. Beispielsweise kann die Sensorvorrichtung in einem mit Rauchgas durchströmten Heizkessel insbesondere eines mit fossilen Brennstoffen befeuerten Dampferzeugers eines Heizkraftwerks zur Messung einer CO- und/oder CO2- und/oder O2-Konzentration im Rauchgas verwendet werden.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Analyse eines Gases in einem Prozessraum wird

– ein Gassensor zur Analyse zumindest eines Teils des Gases an einer bestimmten Position in einem Gehäuse angeordnet,
– das Gehäuse mittels einer Gaszuführung und einer Gasabführung mit dem Prozessraum verbunden,
– ein Gasstrom zumindest eines Teils des Gases vom Prozessraum über die Gaszuführung in das Gehäuse zu der bestimmten Position und weiter zur Gasabführung erzeugt. Der Gasstrom wird mittels eines Schallwandlers erzeugt.

Erfindungsgemäß wird demnach das zu messende Gas unter Verwendung eines mittels eines Schallwandlers erzeugten Gasstroms aus dem Prozessraum durch die Gaszuführung in das Gehäuse gesogen. Nachdem das Gas den Gassensor überstrichen hat und von diesem analysiert wurde, wird es durch die Gasabführung wieder aus dem Gehäuse entfernt und bspw. in den Prozessraum zurück geführt.
Je nach Einsatzgebiet der Vorrichtung ist generell auch möglich, dass das Gas nicht in den Prozessraum zurückgeführt wird, sondern an die Atmosphäre oder an einen anderen geeigneten Ort abgegeben wird, d.h. die Gasabführung ist nicht mit dem Prozessraum verbunden.
Bei Verwendung in einem Feuerraum eines Kraftwerks ist aufgrund der hohen Strömungsgeschwindigkeiten im Feuerraum und der vergleichsweise geringen im Gehäuse erreichbaren Geschwindigkeiten jedoch vorteilhaft, wenn Gaszuführung und Gasabführung sehr nahe beieinander im Feuerraum münden. Beispielsweise können die Gaszuführung und Gasabführung koaxial in den Feuerraum geführt werden, um den Druckunterschied in Gaszuführung und Gasabführung möglichst gering zu halten.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung beziehen sich die Begriffe „vertikal“ und „horizontal“ auf ein globales, an der Gravitationswirkung orientiertes Koordinatensystem. Gleiches gilt für Begriffe wie „nach oben“ und „nach unten“.
Ein bevorzugtes, jedoch nicht einschränkendes Ausführungsbeispiel für die Erfindung wird nunmehr anhand der Figur der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt die einzige Figur eine erste Ausführungsform der Sensor-Vorrichtung zur Analyse eines Gases in einem Prozessraum.
1 zeigt einen Ausschnitt eines Feuerraums 3 in einem Heizkraftwerk gemäß einem Ausführungsbeispiel für die Erfindung. Der Feuerraum 3 umfasst eine Feuerraumwand 30 und im Feuerraum befindet sich Gas 2, beispielsweise Rauchgas. Der Ausschnitt gemäß 1 stellt dabei eine Ansicht von oben dar.
Die Feuerraumwand 30 wird von einer Zuleitung 21 und einer Ableitung 22 durchdrungen. Beide Leitungen 21, 22 dienen der Führung eines Teils 5 des Gases 2 zu einem Gassensor 10, der außerhalb des Feuerraums 3 angeordnet ist, da die raue Umgebung sowie die Temperaturen im Feuerraum 3 einen Betrieb des Gassensors 10 im Feuerraum nicht zulassen. Die Zuleitung 21 und die Ableitung 22 sind dabei im Bereich der Feuerraumwand 30 koaxial angeordnet und die Zuleitung 21 bildet den inneren Teil. Es ist auch möglich, die Zuleitung 21 als äußeres Rohr bei der koaxialen Führung zu gestalten.
In der Zuleitung 21 ist ein Partikelfilter 19 angeordnet, der der Ausfilterung grober Schmutzpartikel dient. Nach dem Durchtritt durch den Partikelfilter 19 strömt der Teil 5 des Gases, der in die Zuleitung eingesogen wird, am Gassensor 10 selbst vorbei. Der Gassensor 10 sowie weitere Komponenten der Sensor-Vorrichtung sind dabei in einem Gehäuse 20 außerhalb der Feuerraumwand 30 angeordnet. Der Gassensor 10 umfasst ein oder mehrere Sensorelemente zur Analyse des Teils 5 des Gases. Die Sensorelemente können beispielsweise Hochtemperatur-Gassensoren sein wie beispielsweise Galliumoxid-basierte Halbleitergassensoren. Der Gassensor 10 ist mit einer Steuerelektronik 50 zum Auslesen und Auswerten der Sensordaten verbunden.
Nach dem Vorbeiströmen am Gassensor 10 wird der Teil 5 des Gases 2 weitergeführt und tritt dabei in eine Rohrschleife ein. Es strömt dabei an einer Ultraschall-Sonotrode 15 vorbei und in ein Resonanzrohr 16 ein.
Das Resonanzrohr weist für das Gas 2 keine Besonderheiten auf. Es ist mit Bezug auf die Sonotrode 15 in seiner Länge und Breite angepasst. Die Sonotrode 15 wird über die Steuerelektronik 50 angesteuert. Vorteilhaft wird mittels der Sonotrode 15, die im vorliegenden Beispiel über einen piezoelektrischen Aufbau angeregt wird, Ultraschall erzeugt, beispielsweise mit einer Wellenlänge von 30 kHz. Andere mögliche Wellenlängen sind 25 kHz, 50 kHz oder 100 kHz. Bei der Verwendung von 30 kHz als Ultraschallfrequenz ist ein vorteilhafter Wert für den Durchmesser des Resonanzrohres 16 gerade die Wellenlänge des Ultraschalls, also ca. 1 cm. Als Länge des Resonanzrohres kann ein Vielfaches dieser Wellenlänge vorteilhaft verwendet werden, beispielsweise 3 cm. Durch die gewählten Werte wird die Strömungsgeschwindigkeit, also die Sogwirkung des Gasstroms, der vom Ultraschall induziert wird, verstärkt.
Das Gas 2 verlässt nach Durchtritt durch das Resonanzrohr 16 durch die Ableitung 22 wieder den Bereich der Sensorvorrichtung und tritt in den Feuerraum 3 zurück. Durch die koaxiale Anordnung von Zuleitung 21 und Ableitung 22 werden mögliche Druckunterschiede zwischen diesen Rohröffnungen minimiert. Das ist vorteilhaft, damit die Sogwirkung durch den Schall nur möglichst geringfügig von Strömungen im Feuerraum 3 beeinflusst oder gar überdeckt wird.
In einer veränderten Ausgestaltung ist es möglich, zusätzlich zum Schall die thermische Konvektion als treibende Kraft für den Gasstrom zu verwenden. Hierzu ist es zweckmäßig, wenigstens ein Steigrohr vorzusehen. Mit anderen Worten sollte der Teil 5 des Gases 2 innerhalb des Gehäuses 20 einen im Betriebszustand und in Flussrichtung des Gases 2 ansteigenden Rohrteil vorfinden. Wird das Gas in diesem Bereich beheizt, so erfährt es eine Kraft nach oben in dem Steigrohr, was zum Antrieb des Gasstroms beiträgt. Hierfür ist es beispielsweise möglich, die in 1 gezeigte Anordnung so zu drehen, dass das Resonanzrohr 16 abwärts weist und das parallel dazu verlaufende Rohr im Gehäuse 20 als Steigrohr dient. Dazu kann beispielsweise 1 als Seitenansicht betrachtet werden.
Umfasst der Gassensor 10 beispielsweise für den Betrieb der Galliumoxid-basierten Halbleitergassensoren ohnehin zweckmäßige Heizelemente, so wird das über den Gassensor 10 streichende Gas 2 durch die Beheizung des Gassensors 10 aufgewärmt und wird nach oben streben und somit den Gsastrom antreiben.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102012217596 [0003]

Claims

Sensorvorrichtung zur Analyse eines Gases (2) in einem Prozessraum (3) mit – einem Gehäuse (20), – einem Gassensor (10) zur Analyse zumindest eines Teils des Gases (2), wobei der Gassensor (10) an einer bestimmten Position im Gehäuse (20) angeordnet ist, – einer Gaszuführung (21) zur Verbindung des Gehäuses (20) mit dem Prozessraum (3) zur Zuführung des Teils des Gases (2) aus dem Prozessraum (3) in das Gehäuse (20) und zu der bestimmten Position, und – einer Gasabführung (22) zum Abführen des Gases (2) aus dem Gehäuse (20), gekennzeichnet durch einen Schallwandler (15) zur Erzeugung eines Gasstroms zumindest eines Teils des Gases (2) vom Prozessraum (3) über die Gaszuführung (21) in das Gehäuse (20) zu der bestimmten Position und weiter zur Gasabführung (22).
Sensorvorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der der Schallwandler (15) eine piezoelektrische Sonotrode (15) ist.
Sensorvorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2 mit einer Ansteuerelektronik (50) für den Schallwandler (15), wobei die Ansteuerelektronik (50) ausgestaltet ist, mittels des Schallwandlers (15) Schall mit Frequenzen oberhalb von 25 kHz zu erzeugen.
Sensorvorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche mit einer Heizvorrichtung zum Aufheizen des Gases (2) im Gehäuse (20) zum Auslösen einer thermischen Konvektion sowie mit einem Steigrohr, wobei das Steigrohr derart angeordnet ist, dass der durch die Heizvorrichtung aufgeheizte Teil des Gases (2) im Steigrohr aufsteigt.
Sensorvorrichtung gemäß Anspruch 4, bei der die Heizvorrichtung eine Beheizung für ein Sensorelement (10) des Gassensors umfasst.
Sensorvorrichtung gemäß Anspruch 4 oder 5, bei der die Heizvorrichtung ein Peltierelement umfasst.
Sensorvorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei der der Gassensor (10) ein halbleiterbasierter Gassensor (10) ist.
Sensorvorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei der der Gasstrom im Gehäuse (20) durch ein Resonanzrohr (16) läuft und der Schallwandler (15) stirnseitig zum Resonanzrohr (16) angeordnet ist, wobei das Resonanzrohr (16) – einen Durchmesser von im Wesentlichen der Wellenlänge des erzeugten Schalls aufweist und/oder – eine Länge von im Wesentlichen einem ganzzahligen Vielfachen der Wellenlänge des erzeugten Schalls aufweist.
Feuerraum (3) eines Kraftwerks, umfassend – eine den Feuerraum (3) begrenzende Feuerraumwand (30), – eine Sensorvorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei Gaszuführung (21) und Gasabführung (22) die Feuerraumwand (30) durchdringend angeordnet sind.
Verwendung der Sensorvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 in einem mit Rauchgas durchströmten Heizkessel insbesondere eines mit fossilen Brennstoffen befeuerten Dampferzeugers eines Heizkraftwerks, zur Messung einer CO- und/oder CO2- und/oder O2-Konzentration im Rauchgas.
Verfahren zur Analyse eines Gases (2) in einem Prozessraum (3), bei dem – ein Gassensor (10) zur Analyse zumindest eines Teils des Gases (2) an einer bestimmten Position in einem Gehäuse (20) angeordnet wird, – das Gehäuse (20) mittels einer Gaszuführung (21) und einer Gasabführung (22) mit dem Prozessraum (3) verbunden wird, – ein Gasstrom zumindest eines Teils des Gases (2) vom Prozessraum (3) über die Gaszuführung (21) in das Gehäuse (20) zu der bestimmten Position und weiter zur Gasabführung (22) erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasstrom mittels eines Schallwandlers (15) erzeugt wird.