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TOC-Analytik Prozess-TOC-Bestimmung in der Kraftwerksanalytik

Autor / Redakteur: Sascha Hupach* / Dr. Ilka Ottleben

Wärmekraftwerke wandeln Wärmeenergie in elektrische Energie um, zumeist durch den Einsatz von Wasserdampf in unterschiedlichsten Turbinen und Generatoren. Um Anlagenschäden vorzubeugen, muss die Qualität des zu verdampfenden Wassers überwacht werden. Organische Verbindungen lassen sich dabei über den Summenparameter TOC erfassen.

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Abb. 1: Um den riesigen Bedarf an elektrischer Energie für Industrie und andere Verbraucher zu decken, sind in Deutschland neben anderen Energieerzeugern zahlreiche Wärmekraftwerke in Betrieb.
Abb. 1: Um den riesigen Bedarf an elektrischer Energie für Industrie und andere Verbraucher zu decken, sind in Deutschland neben anderen Energieerzeugern zahlreiche Wärmekraftwerke in Betrieb.
(Bild: © frilled_dragon - Fotolia)

Am Anfang des Dampferzeugungsprozesses für die Energiegewinnung in Wärmekraftwerken wird Rohwasser gereinigt und aufbereitet – in erster Linie, um bestimmte Wasserinhaltsstoffe zu entfernen, die Bau- oder Anlagenteile schädigen können, etwa durch Korrosion. Dazu zählen hauptsächlich Salze, aber auch verschiedene organische Substanzen.

Dafür werden verschiedene Reinigungsverfahren nacheinander geschaltet. So wird das Wasser beispielsweise entcarbonisiert und über verschiedene Filtermaterialien gegeben. Das weit verbreitete Reinigungsverfahren der Umkehrosmose entzieht dem Wasser verschiedene Fremdstoffe zu einem hohen Anteil. Um weitere Verunreinigungen zu entfernen, wird das Wasser über Ionenaustauscher (Vollentsalzung) oder etwa Aktivkohlefilter (Organik) geleitet.

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Das gereinigte und aufbereitete Wasser (Kesselwasser) wird nun soweit erhitzt, dass es verdampft. Der Dampf treibt Turbinen an, die ein Teil der Wärmeenergie in elektrische Energie umwandeln. Die Turbinenabdämpfe werden anschließend in einem Kondensator abgekühlt und verflüssigt (kondensiert).

Chemische Substanzen als potenzielle Schadensquellen

Die meisten Kondensatoren sind wassergekühlte Wärmetauscher, die riesige Mengen an Wasser benötigen. Wärmekraftwerke, die an Flüssen oder am Meer liegen, nutzen entsprechende natürliche Ressourcen, andere setzen beispielsweise Kühltürme ein (s. Abb. 1). Um möglichst effektiv zu arbeiten, wird das Kondensat im Kreislauf gefahren; es wird wieder erhitzt, um erneut die Turbinen anzutreiben.

In diesem beschriebenen Prozess muss das verwendete Wasser an verschiedenen Stellen analytisch überwacht werden. Verunreinigungen im Wasser können negative Auswirkungen auf die Anlage haben. Neben anorganischen Stoffen, wie Salzen oder CO2, können auch organische Verunreinigungen Schaden anrichten. Bei der Dampferzeugung werden einige organische Substanzen zersetzt. Durch die Zersetzungsprodukte sowie durch z.B. organische Säuren, kommt es zu einer erhöhten Korrosion an Anlagenteilen wie Wärmetauschern oder an der Beschaufelung von Dampfturbinen. Zum Schutz solcher Anlagenteile beobachten die Betreiber sorgfältig Fremdstoffe im Wasserkreislauf.

Anorganische Inhaltsstoffe werden im Wasser zumeist über die Veränderung der Leitfähigkeit gemessen; organische Verbindungen werden über den Summenparameter TOC (total organic Carbon = gesamter organischer Kohlenstoff) erfasst (s. LP-Tipp-Kasten).

Bei der Bestimmung des TOC wird ein Teil der Probe angesäuert und ausgegast, um eventuell vorhandene Carbonate oder Hydrogencarbonate sowie gelöstes Kohlendioxid zu entfernen. Anschließend wird ein Aliquot (etwa 10-2000 µl) der vorbereiteten Probe auf einen heißen Katalysator injiziert. Der Katalysator setzt alle organischen Verbindungen zu Kohlendioxid um. Ein Trägergas transportiert das CO2 zu einem NDIR-Detektor (Non Dispersive Infrared); er erzeugt einen Peak der proportional zur Kohlenstoff-Konzentration ist.

In den Prozess integrierte TOC-Analytik

Ein großer Vorteil der TOC-Analytik liegt in der Geschwindigkeit. Die Bestimmung benötigt von der Probennahme bis zum Ergebnis nur wenige Minuten. Dazu lässt sich die TOC-Analytik neben der Laboranalytik auch sicher und robust in den Prozess einbinden.

Daher werden Prozess-Analysatoren eingesetzt, die den Probenstrom „online“ überwachen, um zeitnah Verunreinigungen im Wasser festzustellen und schnell darauf reagieren zu können. Spezielle Probennahmesysteme verbinden den Analysator mit dem Probenstrom. Im Takt von wenigen Minuten kann eine Probe entnommen, vorbereitet und gemessen werden.

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Bis zu sechs Probeströme in einem Analysator überwachen

Der TOC-4200 von Shimadzu ist ein Analysator zur Bestimmung des TOC im Prozess. Probenstromwechsler erlauben die Überwachung von bis zu sechs Probeströmen mit einem Analysator. Die Probe wird automatisch vorbereitet und gemessen. Das System oxidiert die organischen Substanzen auf einem hocheffizienten Platinkatalysator bei einer Temperatur von 680 °C. Eine automatische Verdünnungsfunktion ermöglicht es dabei, Mehrpunktkalibrierungen aus einer Stammlösung zu erstellen. Das Analysenergebnis wird anschließend automatisch an eine Leitwarte gegeben. Dafür stehen neben herkömmlichen 4-20 mA-Leitungen auch moderne Kommunikationsmittel wie beispielsweise Modbus oder LAN zur Verfügung.

Kondensat-Überwachung in der Karftwerksanalytik

In einem Wärmekraftwerk kann die Überwachung der Wässer an unterschiedlichen Stellen sinnvoll sein. So wird Kesselspeisewasser untersucht, um die Güte der Reinigungs- und Aufbereitungsverfahren zu überprüfen. Rückfließendes Kondensat muss geprüft werden, um Anreicherungen von Fremdstoffen frühzeitig zu erkennen. Verunreinigtes Kondensat kann so erneut gereinigt und aufbereitet werden – oder aber es kann entsorgt und um frisches Reinstwasser ergänzt werden.

Abbildung 2 zeigt den Trendgraphen einer Kondensat-Überwachung eines Wärmekraftwerks im Zeitraum von 24 Stunden. Der Analysator ist derart parametriert, dass er im Takt von zehn Minuten eine Kondensat-Probe entnimmt, vorbereitet und analysiert. Auf diese Weise wird das Kondensat mit etwa 140 Messwerten pro Tag kontrolliert.

* S. Hupach: Shimadzu Deutschland GmbH, 47269 Duisburg

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