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| NAMUR Workshop TDLS | November 10/11, 2016 | © Yokogawa Electric Corporation

NAMUR Hauptsitzung 2016 - Workshop

Prozesstaugliche Laserspektrometrie – schnell, sicher, selektiv

1

Werner Worringen IMK Process Instrumentation Yokogawa Deutschland GmbH

10. November 2016


Agenda

2

1. Was leistet TDLS? 2. Anwendungsbeispiele 3. Lösungen aus einer Hand 4. Roadmap TDLS bei Yokogawa


O2 O2 O2 O2 O2 O2 O2

O2 O2 O2 O2 O2 O2 O2

O2 O2 O2 O2 O2 O2 O2

O2 CO O2 O2 O2 O2 CO2

O2 O2

O2 O2

O2 O2

O2 CO

O2 CO2 O2 O2

O2 O2

O2 O2

O2 O2 CO

O2

O2

O2 CO O2 O2

O2 O2 O2 O2 O2 CO2 O2

O2 O2 O2 O2 O2 O2 O2

O O O

O2 O2 O2 O2 O2 O2 O2

O2 O2 O2 O2 O2 O2 O2

O2 O2 O2 O2 O2 O2 O2

TDLS - Tunable Diode Laser Spectroscopy Prozesstauglichkeit am Beispiel des TDLS8000

Insitu! Messung unter Prozessbedingungen Kein CAPEX/OPEX für Probenahmevorrichtung Schnell

Keine stoffliche Wechselwirkung mit dem Medium

Lasereinheit Detektoreinheit


Absorption of IR-Radiation

Lichtschwächung bei Resonanzfrequenz

Antisymmetrical stretching

Symmetrical stretching

Scissoring Rocking Wagging Twisting

Grundlagen: IR-Spektroskopie

Wellenzahl cm-1

Abso

rptio

n AU

1595 cm-1

3757 cm-1

3658 cm-1

IR-Spektrum von Wasser

http://en.wikipedia.org/wiki/Image:Scissoring.gif

http://en.wikipedia.org/wiki/Image:Symmetrical_stretching.gif

http://en.wikipedia.org/wiki/Image:Asymmetrical_stretching.gif

http://en.wikipedia.org/wiki/Image:Scissoring.gif

http://en.wikipedia.org/wiki/Image:Rocking.gif

http://en.wikipedia.org/wiki/Image:Wagging.gif

http://en.wikipedia.org/wiki/Image:Twisting.gif


Prozesstauglichkeit: Schnell – sicher – selektiv

5

Zeit

Stromstärke

Intensität

Wellenlänge

TDL = Tunable Diode Laser

Presenter

Presentation Notes

Intentsität und Wellenlänge durch Stromrampe



6

Zeit

Stromstärke

Intensität

Wellenlänge

Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses 1 Scan in < 1 ms

> 1000 Scans pro Sekunde

Abbildung des Prozessablaufs in nahezu Echtzeit

< 1 ms 1 Scan



Bandbreite typisch 0,0004 nm ca. 500 Linien pro Peak

Ein einzelner, interferenzfreier Peak wird vollständig erfasst

0.00E+005.00E-041.00E-031.50E-032.00E-032.50E-033.00E-033.50E-034.00E-034.50E-035.00E-03

1536

1535

1535

1535

1535

1535

1535

1534

1534

1534

1534

1534

1534

1534

1533

1533

1533

1533

1533

1 7 13 19 25 31 37 43 49 55 61 67 73 79 85 91 97 103 109 115 121 127 133 139 145 151

CO2

H2O ≈ 0,2 nm

7



8

Yokogawas TruePeak-Technologie

CO2 N2 He

TruePeak-Spektrum (10% O2 in verschiedenen

Hintergrundgasen)

TruePeak = Auswertung der TDLS-Peakfläche Basislinie ohne Einfluss auf Messwert (Partikel!)

Weitgehend unabhängig von Fremdgasen und deren Fluktuation

Abso

rptio

n

Wellenlänge

Peakfläche ist proportional zur

Gaskonzentration

Basislinie: Offset von Transmissionsverlusten



9

Kein Zündfunke möglich Explosionsschutz Safety Integrated Level

Ein TDLS kann keine Zündung verursachen

TDLS8000 gibt es für den Einsatz in ATEX Zone 1

und Zone 2

TDLS8000 ist SIL 2 zertifiziert

Presenter

Presentation Notes

API (American Petroleum Institute) empfiehlt TDLS, weil es keine Zündquelle ist (im Gegensatz zu Zirconia)


Agenda

10



Explosionsgrenzen

11

)


Tankinertisierung

12

PCV A PG

PSV B

PCV B

TDLS

Inertgas Entlüftung

Schutzgasatmosphäre

Presenter

Presentation Notes

Inertisierung (Inertgasdurchfluss) oder Überlagern (geringer Überdruck)


Sauerstoffgrenzkonzentration und TDLS

13

Schnell Zykluszeit 1 – 2 s

Stabil und genau Wiederholbarkeit 1 % vom Messwert oder 0,01 %

Hohe Verfügbarkeit, Wartungsarmut

Kein Medienkontakt, kein Verschleiß

EX-Schutz ATEX, IECEx, FM, CSA Zone 1, Zone 2

SIL-Zertifizierung SIL 2 (1 Gerät) SIL 3 (2 Geräte)

Anforderung TDLS8000


Vier Bereiche der Brenner-Optimierung

14

Effizienz

Emissionen

Anlagenverfügbarkeit

Sicherheit


Verbrennungsprozess

15

-10 0 10 20

O2

CO

% Überschussluft

CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O


Verbrennungsprozess - Effizienz

16

-10 0 10 20

O2

CO

% Überschussluft

Effizienzverlust Effizienzverlust

Unvollständige Verbrennung

Wärmeverluste durch Überschussluft

CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O


Verbrennungsprozess - Emissionen

17

-10 0 10 20

O2

CO

% Überschussluft

NOx

Unvollständige Verbrennung Hoher Luftüberschuss

CO-Überschreitung NOX-Überschreitung


Verbrennungsprozess – Anlagenverfügbarkeit

18

-10 0 10 20

O2

CO

% Überschussluft


Schäden / Ausfall Verkokung

Hoher Luftüberschuss


Verbrennungsprozess - Sicherheit

19

-10 0 10 20

O2

CO


CH4 Explosionsgefahr

CO Nachbrennen

Hoher Luftüberschuss


Entscheidende Regelparameter

20

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

1 13 25 37 49 61 73 85 97 109 121 133 145 157 169 181 193 205 217 229 241 253 265 277 2890

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

TDL CO ppmTDL O2 %

Betreiber-Test: Herbeiführen einer O2–Abnahme um einen CO-Durchbruch zu provozieren

Erster Durchbruch

Zweiter Durchbruch

Potentielle Einsparung

Ziel: Niedrigstmöglicher O2-Überschuss ohne ... Zugeständnisse bei der Sicherheit CO-Erzeugung


Grundlage der Lösung mit TDLS

22

Einhaltung der O2-Sollgröße – O2-Messung

Keine unvollständige Verbrennung – CO-Messung

Explosionsgefahr erkennen – CH4-Messung

Repräsentative Messung Messung nahe der Brennzone (bis 1.500°C) Messung über den Querschnitt

Geeignet für die Anfahrphase

Schnell – Sicher - Selektiv

Convection Section

Oxygen

Radiant Section

CO + CH4


Integrierte Lösung

23

Prozessanalysentechnik Feldmesstechnik Stellglieder Automatisierungstechnik Leittechnik Sicherheitstechnik

Aus einer Hand


Agenda

24



ASI Analytical System Integration - Worldwide

25

ASI Center Europe - Spanien

Presenter

Presentation Notes

Beispiel in der Techfair: SWAS


Ausführung einer TDLS-Lösung (Feuchte)

26


ASI Leistungsspektrum

27

Front End Basic Engineering Design

Projektmanagement

Detailed Engineering & Documentation

3rd-Party-Analysatoren, Behausung, SCS, F&G

Fertigung und Systemaufbau

In-House-Testing & FAT

Montageaufsicht vor Ort

Inbetriebnahme & Training

Presenter

Presentation Notes

Nicht aufzählen, nur „Lifecycle 3rd-Party-Analysatoren hervorheben


Agenda

28



Yokogawas TDLS-Technologie Roadmap

2. Generation

Echtzeit- Multi-Komponenten- KW-Messung

Optimierte Produktivität OPEX-Vorteile

3. Generation

Trace-Multi-KW-Messung

Qualitäts-Vorteile

1. Generation

In-situ

CAPEX/OPEX- Vorteile

Presenter

Presentation Notes

We also are planning another new multicomponent TDLS analyzer for trace component measurement as 3rd generation of TDLS. We think expected applications are more expanding by trace HC fast measurement such as quality management. As I said today, 1st generation model TDLS has already launched and operated, 2nd generation mc-TDLS is under product developing, 3rd generation Trace component measurement model is under planning. Thus Yokogawa is expanding application from measurement to control to contribute more efficient plant operation. Yokogawa also has products for process control such as DCS or APC. We aim to develop new solutions by new analyzer and DCS or APC integration. Such new application development is key factor for new analyzer. We would like to collaborate with customers to develop new application for customer benefit.


1. Generation – Portfolio-Ergänzung TDLS als Sonde

30

Relevante Verbrennungs-Messgrößen

Zone 1 / Zone 2-Klassifizierung SIL2 / SIL3

Kosteneffiziente Lösung für kleine Verbrennungsanlagen Geringere Installationskosten Anwendungsvorteile der TDLS-

Technologie

Presenter

Presentation Notes

NAMUR compliance NE21 (EMV), NE43 (Einheitl. Signalpegel f. d. Ausfallinformation), NE107 (Selbstüberwachung und Diagnose)


Zusammenfassung

33

TDLS hat Zukunft ... Technologie mit Potenzial Fokus-Technologie bei YOKOGAWA

... und eine Gegenwart TDLS8000 Insitu-TDLS Komplettlösungen Prozesstauglich – schnell – sicher – selektiv


Vielen Dank Auf Wiedersehen in der Tech Fair

34

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