WASTE-SCAN - Müllbunker-Brandfrüherkennung |
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| WASTE-SCAN - Überwachungssystem | |
| In Müllverbrennungsanlagen werden die angelieferten Abfälle üblicherweise in geschlossenen Bunkern zwischengelagert. Durch chemische Vorgänge im gelagerten Müll oder Fremdeintrag heißer Stoffe können Bunkerbrände entstehen, die hohe Risiken für Betreiber und Umwelt bergen. Durch eine kontinuierliche, automatisch ablaufende Temperaturmessung der Abfallschüttung können Glimmnester oder Schwelbrände frühzeitig detektiert und mit geeigneten Maßnahmen in kürzester Zeit vor Ausbruch eines Brandes beseitigt werden. Damit werden erhebliche Schäden und Anlagenstillstände vermieden sowie die Entstehung und Freisetzung toxischer Luftschadstoffe wirksam verhindert. | |
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| Bunker einer Müllverbrennungsanlage | Typische Abfallschüttung |
In Deutschland wird in der 17. Bundes-Immissionsschutzverordnung (BImSchV), die die Errichtung und den Betrieb von Verbrennungsanlagen für Abfälle regelt, gefordert, dass in Bunkern oder geschlossenen Lagern "... Einrichtungen zur Erkennung und Bekämpfung von Bränden vorzusehen sind."
Das Landesumweltamt Nordrhein-Westfalen empfiehlt auf der Grundlage eigener Untersuchungen den Einsatz von Infrarot-Thermografiesystemen als wirksamste Präventionsmaßnahme. Ein automatisch arbeitendes Brandfrüherkennungssystem auf der Basis der Infrarot-Thermografie muss dabei folgende Funktionen erfüllen:
- Erkennen und Lokalisieren warmer Stellen auf der Abfalloberfläche als Hinweis auf Glimmnester oder andere Wärmeherde
- frühzeitiges Melden kritischer Temperaturzustände
- automatische Auswertung der gemessenen Temperaturen und Aufzeichnung kritischer Zustände
- Möglichkeit der Beobachtung eines Brandes, auch bei starker Verqualmung, zur Koordinierung der Brandbekämpfung
Das automatische Brandfrüherkennungssystem WASTE-SCAN basiert auf dem Prinzip der Infrarot-Thermografie. Es misst über größere Entfernungen kontinuierlich und berührungslos die Temperaturen auf der Oberfläche einer Abfallschüttung. Tiefer liegende Glimmnester, die sich durch den Wärmetransport zumindest unscharf im Temperaturbild der Oberfläche abzeichnen, können damit ebenfalls erkannt werden.
Herzstück des Systems ist die mit einem ungekühlten Mikrobolometer-FPA-Detektor ausgestattete, hochauflösende Thermografiekamera VarioCAM® hr head des deutschen Herstellers JENOPTIK Laser, Optik, Systeme GmbH.
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| Thermografiekamera VarioCAM® hr head | |
Bei der thermografischen Brandfrüherkennung kommt es darauf an, kleinste überhitzte Objekte - sogenannte "Hotspots" - frühzeitig und sicher zu erkennen und deren Temperatur korrekt zu bestimmen. Die hohe geometrische Auflösung der Thermografiekamera VarioCAM® hr head, die durch (384 x 288) bzw. (640 x 480) IR-Pixel erreicht wird, bietet dafür die technischen Voraussetzungen.
Die übliche Falschfarbendarstellung eines Thermografiebildes entspricht nicht der gewohnten Ansicht eines Videobildes, eine Orientierung ist jedoch gleichermaßen gut möglich. Voraussetzung ist allerdings eine gute Temperaturauflösung der eingesetzten Thermografiekamera. VarioCAM® hr head liefert dafür kontrastreiche, rauscharme Thermografiebilder, in denen - bei einem optimalen Temperaturmaßstab - bereits Temperaturunterschiede von 0,08 K erkennbar sind.
Aufgrund der Arbeitsweise der Thermografiekamera VarioCAM® hr head im sogenannten langwelligen Spektralbereich von (7,5 ... 14) µm können Hotspots selbst in verstaubter oder verqualmter Umgebung lokalisiert werden. Im Unterschied zum Spektralbereich des sichtbaren Lichtes ist die Atmosphäre in diesem Wellenlängenbereich für die detektierte Infrarotstrahlung durchlässig.
Ein nicht zu vernachlässigender Parameter ist die Bildfrequenz der Thermografiekamera. Eine schnelle Bildfolge ist vor allem dann erforderlich, wenn die Kamera während der Beräumung von Verdachtsstellen oder bei der Brandbekämpfung eingesetzt werden soll. VarioCAM® hr head hat als sogenannte Echtzeit-Kamera eine Infrarot-Bildfrequenz von 50 Hz/60 Hz und liefert damit Thermografiebilder in der gewohnten Video-Bildfrequenz.
Die Thermografiekamera VarioCAM® head ist in einem robusten Schutzgehäuse mit einer Freiblaseinrichtung für das Kameraobjektiv montiert und funktioniert dadurch auch unter widrigsten Umgebungsbedingungen. Für eine bessere Orientierung kann optional eine zusätzliche, lichtstarke Farb-CCD-Kamera in das Schutzgehäuse integriert werden.
Durch den Einsatz eines ferngesteuerten Schwenk-/Neigekopfes können auch größere Müllbunker komplett mit einer einzelnen Thermografiekamera überwacht werden, ohne auf die hohe Ortsauflösung der VarioCAM® head zu verzichten.
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| Thermografiekamera im Schutzgehäuse auf Schwenk-/ Neigekopf | |
Der Bunker wird dazu entsprechend seiner spezifischen Geometrie in beliebig viele Überwachungssektoren aufgeteilt, die zyklisch mit einer Positioniergenauigkeit von < 0,2° abgetastet werden. Die Umlaufzeit liegt unter zwei Minuten. Von der automatischen Abtastung der Überwachungssektoren kann im Fall eines Brandes oder bei der Beobachtung und Beräumung von Verdachtsstellen auf Handsteuerung umgeschaltet werden.
Während des Automatikbetriebes werden die Thermografiekamera und der Schwenk-/Neigekopf laufend auf ihre Funktionsfähigkeit hin überwacht und im Störungsfall selbsttätig reinitialisiert.
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| Überwachung des Müllbunkers mit einer Thermografiekamera (schematische Seitenansicht) | |
Während die Thermografiekamera funktionsbedingt über der zu überwachenden Bunkerfläche installiert werden muss, sollten die Auswerteeinheiten des Systems sinnvollerweise in weniger staubbelasteten Räumen der Müllverbrennungsanlage untergebracht werden. Mit flexiblen Verkabelungstechnologien, z. B. durch Einsatz von Lichtwellenleitern, können dabei beliebig lange Übertragungsstrecken realisiert werden. Die Anzeige- und Bedieneinheiten, jeweils aus zwei TFT-Farbdisplays und einer Tastatur/Bedienkonsole bestehend, werden im Kranführer-Leitstand, der Leitzentrale bzw. an weiteren beliebigen Standorten installiert.
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| Montage des Kamerakopfes oberhalb des Kranführer-Leitstandes | Farbdisplays im Kranführer-Leitstand |
Das automatische Brandfrüherkennungssystem WASTE-SCAN ist für einen Dauerbetrieb (24 h/Tag, 365 Tage/Jahr) ausgelegt. Die Systemwartung erfolgt an einem separaten PC in einem Schaltschrank, optional wird eine Fernwartung (remote control) angeboten.
Zur Kompensation der durch Staub oder Qualm verminderten Durchlässigkeit der Bunkeratmosphähre kann optional ein großflächiger Referenzstrahler eingesetzt werden. Für die Kalibrierung der Thermografiekamera ist ein solcher Strahler nicht erforderlich; diese erfolgt automatisch mittels interner Referenzen.
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| Referenzstrahler (optional) | Schaltschrank |
Die Auswertung der aufgenommenen Thermografiebilder, die Hardwaresteuerung der Systemkomponenten sowie die Bedienung des Systems werden durch ein leistungsfähiges Softwarepaket vorgenommen, das unter den gängigen Betriebssystemen Windows 2000 und XP läuft.
In der grafischen Anzeige- und Bedienoberfläche, die auf dem System-Monitor kontinuierlich dargestellt wird, werden den Bedienern alle relevanten Daten angezeigt. Dazu gehören die:
- kontinuierliche Darstellung der aktuellen farbigen Thermografiebilder aller Sektoren
- Angabe der Maximal-, Minimal- und Durchschnittstemperaturen jedes Sektors
- grafische Darstellung der Temperatur-Zeit-Verläufe aller Sektoren
- Protokollierung des Betriebsablaufes sowie
- Fenster mit Anzeigen des Kamera- oder Systemstatus.
Die kontinuierliche Anzeige der aktuellen Thermografiebilder aller Sektoren liefert dem Bediener jederzeit eine komplette Übersicht des Bunkers. Die Zuordnung der Temperaturmesswerte zu den Farben erfolgt über eine Farbskala. Die Spanne dieser Farbskala ist konfigurierbar, z. B. auf einen praktisch sinnvollen Bereich von -10 ... 90°C, und kann durch den Bediener bei Bedarf an die aktuellen Bedingungen angepasst werden.
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| Bedienoberfläche mit Thermografiebildern, Temperaturwerten, Temperatur-Zeit-Verläufen aller Sektoren, Protokoll- und Statusfenstern | |
Auf einem weiteren Monitor wird entweder das aktuelle Live-Bild der Thermografiekamera (als Graubild) oder das VIS-Bild der (optionalen) Farb-CCD-Kamera angezeigt. Zur besseren Orientierung können in dieses Live-Bild programmierbare Parameter wie z. B. Sektornummer, aktuelle Sektortemperatur oder Betriebszustand eingeblendet werden. Das VIS-Bild kann zudem durch die Hotspots des zugehörigen Thermografiebildes überlagert werden.
Die Kombination von Thermografie- und VIS-Bild ermöglicht, vor allem unter schwierigsten Umgebungsbedingungen, eine optimale Orientierung. Die Farb-CCD-Kamera stellt mit ihrer hohen Lichtempfindlichkeit die Struktur der Mülloberfläche bestmöglich dar, die Thermografiekamera lokalisiert darauf die Verdachtsstellen bzw. einen Brandherd. So wird z. B. bei der Beräumung von Verdachtsstellen oder eventuellen Löscharbeiten die Wirkung dieser Maßnahmen im überlagerten Live-Bild anhand der in Echtzeit dargestellten Veränderung der Hotspots sofort sichtbar.
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| Monitorbild der Farb-CCD-Kamera mit überlagerten Hotspots | |
Bei Überschreitung kritischer Temperaturschwellen werden automatisch Alarmsignale generiert und zur Weiterverarbeitung ausgegeben. Dabei ist eine mehrstufige Alarmierung mit frei einstellbaren Warn- und Alarmschwellen vorgesehen. Neben der Beurteilung der gemessenen Temperaturen durch Schwellenwerte kann eine Auswertung des langfristigen Temperaturtrends mit einstellbarer Zeitbasis erfolgen.
Zur späteren Rückverfolgung und Untersuchung der Brandentstehung erfolgt eine detaillierte Dokumentation von Alarmsituationen einschließlich Archivierung der aufgenommenen Bilddaten.
