Inhalt

Entwicklung eines vollautomatisierten Schließsystems für Autoklavenverschlüsse (AUTOKLAV)

Allgemeine Informationen

Zuordnung
Projektnummer	61007317
Projekttitel laut Förderbescheid	Entwicklung eines vollautomatischen Schließsystems für Autoklavenverschlüsse
Akronym	AUTOKLAV
Projektlaufzeit	30.12.2019 - 30.06.2022
Forschungsschwerpunkt	Energie und Umwelt
Projektkategorie	Forschung
Kompetenzfeld	Wissens- und Technologietransfer in die Region Energie und Umwelt
Themengebiet	Prozesstechnik/Automatisierung
Grundeinheit	Institut für Prozesstechnik, Prozessautomatisierung und Messtechnik
Projektwebseite	https://theresa.hszg.de/projects/autoklav

Inhaltliche Projektbeschreibung

Projektziele:

Das Vorhaben ordnet sich in die Richtlinie „EFRE-Technologieförderung 2014 bis 2020“ ein. Das FuE-Projekt beinhaltet die Entwicklung und Implementierung einer vollautomatischen Automatisierungslösung für den Öffnungs- und Schließvorgang der Autoklaventür unter den vorherrschenden Bedingungen in der Porenbetonindustrie. Das zu entwickelnde Automatisierungskonzept beinhaltet die Sensorik zur Detektion des Zustandes im Inneren des Autoklavs (Druck, Temperatur, Eigenschaften des Wasser-Dampf-Gemisches), die Verarbeitung der gemessenen Parameter und eine ausfallsichere Steuerung zur Automatisierung des Öffnungs- und Schließvorganges der Autoklaventür.

Des Weiteren werden optische bzw. aktustische Signale bereitgestellt, welche dem Bediener über den aktuellen Zustand (Überdruck, Temperatur,) des Autoklavs informieren. Die Freigabe und das Öffnen der Autoklaventür nach Druckabbau im Autoklaven erfolgt automatisiert, ohne Schalthandlungen durch das Bedienpersonal, und führt somit zu einer Minimierung der Risiken für das Bedienpersonal und gewährleistet einen zeitlich und wirtschaftlich optimalen Betrieb der Autoklaven. Aufgrund fehlender Automatisierung im Bereich des Verschlusssystems von Autoklaven besteht ein erhöhtes Risiko für das Bedienpersonal während des Öffnungsvorgangs. Bedienfehler führen nicht selten zu Personenschäden und Produktionsausfall in Porenbetonwerken.

Ein sicheres Automatisierungskonzept umfasst neben der Ausrüstung mit geeigneter Mess-, Steuerungs- und Regelungstechnik auch konstruktive Maßnahmen am Verschlusssystem des Autoklavs. Die Steuerung der vorhandenen mechanischen Antriebe auf Basis von unzureichend genauer Messsysteme und fehleranfälliger Sensordaten (Sensordrift, Alterungsprozesse der Sensoren) kann keine ausreichende Sicherheit beim Betrieb der Autoklaven gewährleisten.

Teilziele des avisierten FuE-Projektes ist die Schaffung der notwendigen Vorrausetzungen für die Ausführung der Verschlussmechanik, der Sensorik und Aktorik und der vollautomatischen Steuerung der Autoklaventür. Die entwickelten Teillösungen werden anschließend im Rahmen des avisierten FuE-Projektes in ein sicheres, effizientes und vollautomatisiertes Verschlusssystem überführt. Im Anschluss daran im verkleinerten Maßstab getestet und final in einem Autoklaven der Porenbetonindustrie im Originalmaßstab implementiert.

Das avisierte Vorhaben gliedert sich deshalb in folgende drei Teilbereiche:

Teilbereich 1: Entwicklung einer beweglichen Dichtung,

Teilbereich 2: Entwicklung eines neuartigen Mess- und Steuerungssystems,

Teilbereich 3: Entwicklung eines verfahrbaren Verschlusssytems.

Bearbeitungsstand 01.01.21 – 31.12.2021

AP 2.1 Entwicklung eines Messtechnikkonzepts für die Erfassung des inneren Überdruckes im Autoklav, der Temperatur und der Dampfparameter

Auf Basis der geltenden Regelwerke für die Ausrüstung von Autoklaven innerhalb der technischen Regeln Betrieb (TRB 801 Nr. 30) und der Druckgeräterichtlinie erfolgt die Auswahl der benötigten Messtechnik und Ausrüstung für den Autoklav. Neben der laut Normung geforderten Instrumentierung und Ausrüstung des Autoklavs werden zusätzliche Instrumentierungen für den vollautomatisierten Betrieb in das Messtechnikkonzept intergiert. Nach Abschluss der Entwicklung des Messtechnikkonzeptes, welches in enger Abstimmung mit dem Projektpartner und der zuständigen Überwachungsstelle (ZÜS) erfolgte, wurde die Detailauslegung der Sensorik und Aktorik sowie der für die Steuerung und Regelung eingesetzten Absperr- und Regelorgane durchgeführt.

AP 2.2 Entwicklung eines neuen Messsystems für den Betrieb einer vollautomatisierten Autoklaventür

Analog zum Arbeitspaket 2.1 wird auf Basis des entwickelten Verschlusssystems für den sicheren Öffnungs- und Schließvorgang des Autoklavendeckels ein Mess-, Steuerungs- und Regelungssystem entwickelt. Benötigte MSR-Komponenten werden laut Anforderungen an das neuartige Verschlusssystem in das Messsystem integriert. Anschließend erfolgt die Detailauslegung der zugehörigen Sensorik und Aktorik unter Beachtung TÜV-relevanter Anforderungen.

AP 2.3 Entwicklung eines Steuerungs- und Regelungskonzept auf Basis des entwickelten Messsystems

Auf Basis der in den Arbeitspaketen 2.1 (Betriebszustand Autoklav) und 2.2 (Verschlusssystem) entwickelten messtechnischen Konzepte erfolgt im Arbeitspaket 2.3 die Zusammenführung der Einzelkonzepte zum steuerungs- und regelungstechnischen Gesamtkonzept für den Autoklav und das Verschlusssystem. Auf Basis der Abstimmung mit der zuständigen Behörde (TÜV) muss ein 2-stufiges Steuerungs- und Regelungskonzept bestehend aus der Prozessleittechnik (PLT) und einer übergeordneten Sicherheitssteuerung (SSPS) eingesetzt werden. Auf Basis dieser Anforderungen und den entwickelten Einzelkonzepten für den Autoklav und das Verschlusssystem wurde ein Steuerungs- und Regelkonzept entwickelt, welches ein sicheres Anlagenverhalten in allen Betriebsfällen gewährleistet und das System bei Störungen, Spannungsausfall, Fehlbedienung, Ausfall von Aktorik und Sensorik in einen sicheren Zustand überführen kann. Für die Visualisierung des Betriebszustandes des Autoklavs sowie dessen Steuerung wurde eine HMI (Human Machine Interface) entwickelt.

HMI AUTOKLAV

Innerhalb des Arbeitspaketes 2.3 wurde ebenfalls das Konzept für die Implementierung des Autoklavs (TA600) in das vorhandene Versuchsfeld der Versuchsanlage (VA) THERESA im Zittauer Kraftwerkslabor entwickelt. Die Dampfbeaufschlagung, Dampf- und Kondensatabführung des Autoklavs erfolgt über vorhandene Schnittstellen an der VA THERESA.

VA THERESA und Integration Versuchsfeld AUTOKLAV

Auf Basis der Abstimmung mit dem TÜV kann hier bereits vorhandene Mess- und Sicherheitsinstrumentierung der VA THERESA für den Testbetrieb des Autoklavs genutzt werden. Nachfolgende Abbildung zeigt den prinzipiellen Aufbau der VA THERESA und die Aufstellfläche des Autoklavs im Versuchsfeld. Für die zum Betrieb des Autoklavs neu zu errichtenden Rohrtrassen (Dampfzu- und -abführung, Einbindung Sicherheitsventile, Kondensat) wurde innerhalb des Arbeitspaketes eine detaillierte Auslegungsrechnung und die Anordnungs- und Aufstellungsplanung für den Autoklav und die anzuschließende Peripherie durchgeführt.

AP 2.4 Entwicklung eines Regelungskonzepts und Verarbeitung in einem Automatisierungskonzept

Auf Basis der Arbeitspakete 2.1, 2.2 und 2.3 erfolgt im Arbeitspaket 2.4 die Entwicklung eines Regelungskonzepts auf Basis der erstellten MSR-Konfiguration. Hierfür wurden zunächst die für den Betrieb des Autoklavs relevanten Arbeitsschritte inklusive des Öffnungs- und Schließvorgangs des Autoklavendeckels entwickelt. Im Anschluss daran wurden die Einzelschritte in 13 Betriebsmodi überführt, welche den vollständigen Prozess zur Herstellung von Porenbeton inklusive der An- und Abfahrprozeduren des Autoklavs beinhalten. Die einzelnen Betriebsmodi werden mittels Programmablaufplänen in die Steuerung des Autoklavs implementiert, so dass ein sicherer und vollautomatischer Betrieb gewährleistet werden kann. Neben der automatischen Steuerung und Regelung des Autoklavs wird ebenso ein Konzept zum manuellen Betrieb erarbeitet, um die einzelnen Betriebsmodi innerhalb der Erprobungsphase auch händisch anfahren zu können.

AP 2.6 Erstellung des Sicherheitskonzeptes für das entwickelte Automatisierungskonzept

Die vorbereitenden Arbeiten für das Arbeitspaket 2.6 sind in den Arbeitspaketen 2.1 bis 2.4 erfolgt. Auf Basis des erstellten Automatisierungskonzeptes wurde in Abstimmung mit dem TÜV ein Sicherheitskonzept für den sicheren Betrieb des Autoklavs inklusive des neuartigen und vollautomatisierten Verschlusssystems entwickelt. Die Erkenntnisse aus dem Arbeitspaket 2.5 (Funktionsnachweis) werden als Basis für die Optimierung des Sicherheitskonzepts genutzt und bei der Übertragung der Konstruktion und Ausrüstung für den Autoklav im Originalmaßstab mit Durchmesser 3000mm berücksichtigt.

AP 4.1 Konstruktion der Testanlage TA 600 nach VDI2221 inkl. FEM-Analyse für Bereiche der Deckelkonstruktion

Im Rahmen der konstruktiven Auslegung und Dimensionierung des Autoklavs erfolgte eine Spanungsanalyse mittels der Finiten Elemente-Methode (FEM), um die werkstoffseitige Spannungsauslastung des Autoklavenkörpers und des Deckels bewerten zu können. Die grundlegende Auslegung der Behälterwandstärken des Behälters erfolgt durch das AD2000 Regelwerk. Da in diesem Regelwerk die Flansche sowie der neuartige Verschlussmechanismus unzureichend bzw. gar nicht erfasst sind, ist es notwendig einen Festigkeitsnachweis mittels FEM zu führen. Die Auswertung der FEM zeigt keine Überschreitung der zulässigen Bauteilbeanspruchung unter dem Einfluss von Maximaldruck und -temperatur in den Bereichen der Behälterwand, der Umklammerung am Verschluss und dem Mantelflansch. Die Ergebnisse der FEM-Berechnung werden bei der Weiterentwicklung der Konstruktion und der Ausführung des Autoklavenkörpers und des Verschlusssystems berücksichtigt und wurden im Rahmen der Einreichung der Vorprüfunterlagen ebenso an den TÜV übergeben.

AP 4.2 Fertigung der Komponenten, Baugruppen, Montage der Testanlage TA600

Der Autolav TA600 wurde durch den Kooperationspartner TKG Turbinenkomponenten Görlitz GmbH in Zusammenarbeit mit der der Hochschule Zittau/Görlitz und der Fa. KMI Kraftwerke- und Maschinenanlagen Instandhaltung GmbH im Zittauer Kraftwerkslabor errichtet.

Autoklav TA600 im Zittauer Kraftwerkslabor

Weitere Daten

Ansprechpartner
- Herr Prof. Alexander Kratzsch (Projektleitung)
- Herr Sebastian Braun
- Herr Thomas Gubsch
- Herr Martin Herling
- Herr Torsten Klette
- Herr Dipl.-Ing. Thomas Schäfer
- Herr Dipl.-Ing. (FH) Thomas Schäfer
- Herr Christian Vanek
- Herr Christian Vogel
Fördermittelgeber
- 100371782 - EFRE/SMWA/SAB
Kooperationen mit externen Partnern
- TKG Turbinenkomponenten Görlitz GmbH
Bilder
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