Funktionale Sicherheit einfach erklärt: Brenner und Kessel

Industrieunfälle haben meist große Auswirkungen auf das Leben vieler Menschen. Nicht selten sind Brenner und Kessel die Ursache für derartige Ereignisse, denn durch die kontrollierte Verbrennung von Kohlenwasserstoffen (Gas und/oder Öl) bzw. Wasserstoff ergeben sich etliche Gefahrenquellen. Doch wo genau liegen die Risiken von Brennern und Kesseln, und wie können sich Unternehmen schützen?

Ein lauter Knall – alle Mitarbeiter des Betriebes sind sofort in Alarmbereitschaft. Vor lauter Dampf und Hitze ist es schwer, an die Feuerungseinrichtung heranzukommen. Sie rufen die Feuerwehr, den Notarzt, sichern die Unfallstelle ab, leisten erste Hilfe und versuchen, den entstandenen Schaden so gut es geht, zu begrenzen – doch was ist passiert?

Kesselrisiken und Kesselschutz

Ursache für das Chaos in diesem Betrieb ist eine Kesselexplosion. Für die Gewinnung von Strom, Wärme oder Heißwasser nutzen Betriebe oft Kessel, die mit fossilen Brennstoffen beheizt werden. Der Kessel ist ein gigantischer Energiespeicher: In ihm wird das Medium Wasser unter hohem Druck und hoher Temperatur auf engsten Raum gehalten – und das ist nicht ganz risikofrei. Im Worst-Case reicht eine kleine undichte Stelle am oder ein Überdruck im Kessel, um eine explosionsartige Entspannung des Kessels auszulösen. Für eine sichere Handhabung dieser Anlagen ist es wichtig, dass die gefährlichen Bereiche des Kessels permanent überwacht werden. Um das zu garantieren, kommen Kesselschutzsysteme mit integrierten Sicherheitsfunktionen zum Einsatz. Vorhandene Anlagen sind allerdings oft veraltet und entsprechen nicht mehr dem aktuellen Stand der Technik. Das erschwert die Überwachung enorm, denn die Verantwortlichen können nicht wissen, was genau noch geschützt wird und wo sich ein Gefahrenpotenzial aufbaut.

Brennerrisiken und Brennerschutz

Brenner dagegen wandeln chemische in thermische Energie um: Sie nutzen fossile Brennstoffe wie Kohlenwasserstoffe (Gas oder Öl) bzw. Wasserstoff, um Wärme zu erzeugen. Eine Reaktion mit Sauerstoff verändert die chemische Bindung von Kohlenstoff bzw. Wasserstoff: Dieser Vorgang, die Feuerung, setzt thermische Energie frei. Die dabei erzeugten heißen Abgase geben ihre Wärme an Wärmetauscher ab, und werden dabei soweit runtergekühlt, dass die Abgase über ein Rauchgasgebläse ausgetragen werden müssen. Dieser Vorgang dient dazu, einen optimalen Wirkungsgrad der Feuerungseinrichtung zu erhalten.

In unserem angenommenen Störfall hat sich durch den Ausfall eines großen Dampfverbrauchers ein Überdruck im Kessel gebildet. Die Sicherheitseinrichtung hat daraufhin die Brenner abgeschaltet – die beiden mechanischen Überdruckventile, die sich auf dem Kessel befinden, haben angesprochen und die umliegenden Anlageeinrichtungen eingenebelt. Da die Anlagenfahrer die Störfallanweisungen inklusive Anforderungen von Feuerwehr und Notarzt jedoch vollständig und korrekt umgesetzt haben, konnte größerer Schaden verhindert werden.

Manche Sicherheitssysteme können Brenner und Kessel auch gemeinsam im Verbund steuern

Bilden wir uns die Gefahren nur ein?

Der Ablauf im Umgang mit Brennern und Kesseln scheint reibungslos – dennoch hantieren die Anlagenfahrer hier mit hohem Druck, starker Hitze und explosiven Gasen. Das birgt einige Gefahren sowohl für die Anlagen als auch für Mensch und Umwelt.

Unzureichend gesicherte Anlagen sind beispielsweise eine große Gefahrenquelle, da sie Flammen, Rauchgase oder heiße Dämpfe freisetzen können. Bei Brennern im Besonderen ist auch das Verhältnis zwischen Brennstoff- und Verbrennungsluftmenge kritisch – fehlt die Balance, kann das zu schädlichen Abgasen oder Explosionen führen. Herrschen am Kessel zu hohe Temperaturen oder zu großer Druck, kann sich die gespeicherte Energie unkontrollierbar entspannen: So wie im erwähnten Störfall-Beispiel. Der zu hohe Druck im Dampfkessel führte zu einer gefährlichen Situation, die das Potential zur Verletzung mehrerer Menschen und Zerstörung der Anlage hat.

Mit der zunehmenden Digitalisierung häufen sich außerdem gezielte Cyberangriffe auf Produktionsanlagen. Hacker verursachen so wissentlich entweder wirtschaftlichen Schaden oder gefährden dadurch Menschenleben.

All diese Sicherheitslücken führen in den meisten Fällen auch zu einem Produktionsstillstand. Diesen wollen Unternehmen so gut es geht vermeiden – denn ein einziger Tag, an dem die Maschinen nicht ordnungsgemäß arbeiten, kann Millionen von Euro kosten. Aus diesem Grund investieren sie in geeignete Sicherheitsmaßnahmen, welche die Gefahren auf ein Minimum reduzieren.

Sicherheit durch Kontrolle

Grundlegend sollten die Prozesswerte immer innerhalb der materialspezifischen Grenzwerte liegen, um das Gefahrenrisiko zu mindern. Denn die für Brenner und Kessel verwendeten Stähle haben unterschiedliche physikalische Eigenschaften, welche die zulässigen Temperatur- und Druckbereiche erheblich beeinflussen.

Die Einhaltung von sicherheitsrelevante Grenzwerten sorgt für eine sichere Balance der eingesetzten Stoffe unter Beachtung der geforderten Temperaturen, Drücke und Durchflüsse – zum Beispiel verhindern die Vorgaben zum Kesselwasserstand den Totalverlust des Kessels und die Zerstörung der Turbine.

Leistungsfähige Sicherheitssysteme steuern und sichern die Brenner und Kessel nicht nur, sondern stabilisieren und regeln gleichzeitig auch den Dampferzeugungs- und Feuerungsprozess. Die Regelungsfunktion interveniert, bevor die sicherheitsrelevanten Einrichtungen abschalten. Mit geringem finanziellem Aufwand verhindern Unternehmen so unnötige Stillstände und Risiken. Im Endeffekt reduzieren sie die Anlagenausfälle, ohne auf Sicherheit verzichten zu müssen.

Zusätzliche Sicherheitschecks und -maßnahmen von erfahrenen Sicherheitsexperten und regelmäßige Wartungen – so lassen sich Fehlfunktionen und Gefahrenherde frühzeitig erkennen und vermeiden. Außerdem können die Experten so sicherstellen, dass die Sicherheitsnormen jederzeit eingehalten werden. Dem Unternehmen bleibt auf diese Weise mehr Zeit für das Tagesgeschäft, da ihnen die Sorgen um die Sicherheitsstandards von erfahrenen Spezialisten abgenommen werden.

Eine gute Option ist immer, die Funktionale Sicherheit gemäß den internationalen Sicherheitsnormen/Sicherheitsstandards einzuhalten: Vordefinierte Projektabläufe in Form der sieben Phasen des Safety-Lifecycles wahren hierbei die Sicherheit von kritischen Produktionsanlagen. Daran sind nur qualifizierte Mitarbeiter beteiligt, die jeden Schritt dokumentieren und verifizieren.

Werden diese Hinweise beachtet, kann der Umgang mit Brennern und Kesseln sicherer werden als je zuvor – die Möglichkeit einer Kesselexplosion wird nahezu unwahrscheinlich.