Prozessbewertung und Exergieanalyse für ein Heizkraftwerk [original]

Prozessbewertung und Exergieanalyse für ein Heizkraftwerk

Prozessbewertung und Exergieanalyse

für ein Heizkraftwerk

Mathias Penkuhn, Mathias Hofmann, Sebastian Meinke und Christian Lösche

1. Einleitung ............................................................................................. 1

2. Prozessgütebewertung und Exergieanalyse ........................................ 2

3. Prozessbeschreibung, Modellbildung und Simulation ......................... 4

4. Ergebnisse ............................................................................................ 8

5. Fazit und Ausblick ...............................................................................11

6. Quellen .................................................................................................12

1. Einleitung

Konventionelle Kraftwerke zur Bereitstellung von Strom und Wärme stehen

durch den Ausbau von Erzeugungsanlagen auf Basis erneuerbarer Energie-

quellen vor dem Hintergrund der Sicherstellung der Versorgungssicherheit, der

Einsatzflexibilität und eines ökonomischen Betriebs vor Herausforderungen.

Dabei sind vor allem die variablen Kosten, die Brennstoff- und Betriebs- und

Wartungskosten, relevant [1]. Vor diesem Hintergrund sind Systeme zur Pro-

zessgüteüberwachung, eingesetzt zur Sicherstellung einer kontinuierlichen

Überwachung und Optimierung des Kraftwerksprozesses, von großer Bedeu-

tung, da nur so ein Betrieb mit höchstmöglicher Effizienz und Rentabilität si-

chergestellt werden kann [2].

Die Prozessgüteüberwachung [3] stützt sich dabei grundlegend auf mathema-

tische Prozessmodelle, welche die anfallenden Prozessdaten der Anlage verar-

beiten. Dies ermöglicht es, den Zustand der Gesamtanlage sowie einzelner Teile

davon kontinuierlich zu bewerten, bspw. durch die Bestimmung von Wirkungs-

graden, den Vergleich von Soll- und Istzuständen und die Messdatenvalidierung.

Die damit verbundenen Informationen können direkt zur thermodynamischen

und prozesstechnischen Verbesserung des Anlagenbetriebs, zur Minimierung

der Kosten und zur Erhöhung der Verfügbarkeit genutzt werden.

Mit dem VGB-Standard S-012 [4] steht dabei ein Regelwerk zur Prozessgüteüber-

wachung in der Energietechnik zur Verfügung. Dabei spielen Gütegrade, die den

Mathias Penkuhn, Mathias Hofmann, Sebastian Meinke, Christian Lösche

Soll- und Ist-Vergleich für den Gesamtprozess als auch für entsprechende Teil-

prozesse und einzelne Komponenten widerspiegeln, eine tragende Rolle. Da ein

Sollzustand dabei nur hypothetisch durch entsprechende Simulationen von Ver-

gleichsprozessen unter Berücksichtigung veränderlicher Lastzustände sowie Um-

gebungs- und Randbedingungen definiert werden kann, ergibt sich eine dazugehö-

rige, inhärente Unsicherheit. Damit stellt sich die Frage, ob die damit bestimmten

Einsparpotenziale für einzelne Komponenten und den Gesamtprozess realisiert

werden können, da diese beispielsweise durch anlagentechnische Einflüsse und

veränderte Betriebsbedingungen nicht immer zur Verfügung stehen. Aufbauend

auf den Ergebnissen der konventionellen, thermodynamischen Ansätze steht mit

der Exergieanalyse [5] ein Werkzeug zur Verfügung, welches zusätzliche Informa-

tionen über die thermodynamische Prozessgüte bereitstellt, die bei vorgenannten

Ansätzen nicht zur Verfügung stehen. Dabei besteht keine Abhängigkeit von zu

definierenden Vergleichsprozessen und es können sowohl einzelne Komponenten

als auch der Gesamtprozess abschließend bewertet werden.

Im Folgenden soll daher am Beispiel des Heizkraftwerks Moabit die An-

wendbarkeit der Exergieanalyse zur Prozessgüteüberwachung durch die

Implementierung im Simulationsprogramm Ebsilon Professional sowie die

Bewertung und den Vergleich verschiedener Betriebszustände der Anlage un-

tersucht werden.

2. Prozessgütebewertung und Exergieanalyse

Die Anwendung modellbasierter Systeme ermöglicht die Bestimmung geeigne-

ter Kennzahlen zur Prozessgüteüberwachung, die es erlauben, die Qualität des

Kraftwerksprozesses kontinuierlich zu bewerten.

Konventionelle Prozessgütebewertung

Auf der Ebene des Gesamtprozesses ist der thermische Wirkungsgrad zur Bewer-

tung des Prozesses geeignet. Dabei sind, je nach Art und Zweck der Anlage, der

elektrische Nettowirkungsgrad des gesamten Kraftwerksblocks oder der Brenn-

stoffausnutzungsgrad, bei gleichzeitiger Erzeugung von elektrischer Energie und

Wärmeauskopplung für Fernheizsysteme, als Vergleichs- und Bewertungsgrößen

heranzuziehen. Um derartige Wirkungsgraddefinitionen für verschiedene Anla-

gen, Technologien und Zeiten vergleichbar zu machen, müssen diese auf einheitli-

che Randbedingungen bezogen worden sein und betreffen grundsätzlich bestimm-

te Festlegungen und Daten an der Gesamtsystemgrenze, die zum Zeitpunkt der

Bewertung nicht beeinflussbar sind.

Wird im Rahmen einer Prozessgüteüberwachung [3] der Anlagenzustand kon-

tinuierlich bewertet, so kann der aktuelle Anlagenzustand anhand eines ther-

modynamischen Simulationsmodells, bspw. in Ebsilon Professional, bestimmt

und die dazugehörigen Kennzahlen berechnet werden. Anschließend können

sukzessiv, potenziell optimale Anlagenzustände (What-if-Analyse) unter Berück-

sichtigung der gegebenen Rand- und Umgebungsbedingungen sowie vorgegebe-

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ner Referenzkurven einzelner Modellkomponenten bei bestmöglichem Verhalten

bestimmt werden [6]. Durch den Vergleich der jeweils aktuellen Werte mit dem

berechneten Referenzwert können zusammenfassende Kennzahlen (KPI – Key

Performance Indicator), bspw. in Form von Gütegraden, Verlusten oder Brenn-

stoffmehrverbräuchen, bestimmt werden. Gleichzeitig können die Auswirkungen

der Veränderung einzelner Einflussgrößen berechnet werden. Entsprechende

Abweichungen zwischen den Soll- und Istzuständen eignen sich zur Darstellung

möglicher Einsparpotenziale, welche jedoch stark durch die vorher getroffenen

Annahmen zum Referenzprozess beeinflusst sind.

Exergieanalyse

Zur thermodynamischen Analyse des Kraftwerksbetriebs kann die Exergieana-

lyse [5] [7] auf der Ebene des Gesamtprozesses und der einzelnen Komponenten

eingesetzt werden. Da die Exergie ein Maß für die Quantität und Qualität der

Energie ist, können verschiedene Energieformen konsistent verglichen werden,

was die Prozessbewertung im Sinne der Einheit von Stoff- und Energieumwand-

lung ermöglicht. Damit können bei einem KWK-Prozess die energetisch nicht

vergleichbaren Koppelprodukte Strom und Wärme abschließend bewertet wer-

den. Dabei lässt sich die thermodynamische Effizienz sowohl für den Gesamt-

prozess als auch für einzelne Komponenten bestimmen, wobei keine zusätzliche

Definition und Berechnung etwaiger Referenzprozesse notwendig ist.

Auftretende thermodynamische Verluste in einem System können durch die Be-

stimmung der Exergievernichtung ED auf Basis der Exergiebilanz aufgedeckt

werden. Treten auf Basis des Gesamtprozesses Verluste in Form von Stoff- oder

Energieströmen an die thermodynamische Umgebung auf, so sind auch exerge-

tische Verluste EL an die Umgebung identifizierbar. Gleichzeitig können, analog

zur konventionellen, energetischen Prozessbewertung, auch die entsprechenden

Beträge des exergetischen Aufwands EF und Nutzens EP [5] und damit auch der ex-

ergetische Wirkungsgrad bestimmt werden. Im stationären Fall ergibt sich damit:

Gleichung 1: 0 = EF − EP − ED − EL

Gleichung 2:𝜀 = EP/EF

Da sich die Exergievernichtung des Gesamtsystems aus den Beiträgen der einzel-

nen Komponenten zusammensetzt, kann der Einfluss der einzelnen Komponenten

auf die Verringerung des Gesamtwirkungsgrad aufgezeigt werden. Die Verbindung

zwischen Komponente und Gesamtprozess kann über den Exergievernichtungsko-

effizienten bestimmt werden.

Gleichung 3: 𝑦D,𝑖 = ED,𝑖/EF,ges

Grundsätzlich stellt die Exergieanalyse Informationen bereit, die nicht mithilfe einer

konventionellen, thermodynamischen Analyse unter Nutzung von Massen- und Ener-

Mathias Penkuhn, Mathias Hofmann, Sebastian Meinke, Christian Lösche

giebilanzen zur Verfügung stehen. Die meisten Simulationsprogramme, bspw. Eb-

silon Professional, stellen dabei aber nur rudimentäre Möglichkeiten zur Exergieana-

lyse bereit. Während die physikalische Exergie einzelner Stoffströme grundsätzlich

bestimmt werden kann, fehlen die Möglichkeiten zur integrierten Berechnung che-

mischer Exergien auf Basis eines definierbaren thermodynamischen Umgebungsmo-

dells, zum Aufstellen und Lösen der Exergiebilanzen für generische Komponenten,

zur Definition zusammengefasster, benutzerdefinierter Komponenten, und zur Be-

stimmung und Ausgabe der entsprechenden exergetischen Kennzahlen vollständig.

Um eine einfache Anwendung zu ermöglichen, wurden die entsprechenden Funkti-

onen in Ebsilon Professional per EbsScript ergänzt, sodass auf Grundlage einer vor-

handenen Simulation eine vollständig automatisierte Exergieanalyse durchgeführt

werden kann. Der Aufbau der Programmmodule ist in Abbildung 1 dargestellt.

Abb. 1: Programmstruktur der automatischen Exergieanalyse in Ebsilon Professional

3. Prozessbeschreibung, Modellbildung und Simulation

Die vorgestellten Entwicklungen und anschließenden Untersuchungen werden am

Beispiel des Heizkraftwerks Moabit (HKW Moabit) durchgeführt. Das HKW Moabit

arbeitet nach dem Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) und wird zur Erzeu-

gung von Elektroenergie und Fernwärme eingesetzt.

Prozessbeschreibung

Die Anlage ist als zirkulierende, atmosphärische Wirbelschichtfeuerung [8] ausge-

führt. Diese besteht aus einer Wirbelbrennkammer (WBK), zwei parallel geschalte-

ten Rückführzyklonen (RFZ), zwei Fließbettkühlern (FBK), einer Nachschaltheizflä-

che (NSHF), einem Heißgas-Elektrofilter (Efi) und einem rekuperativ-arbeitenden

Röhrenluftvorwärmer (LuVo). Als Brennstoffe werden Steinkohle und Biomasse, bis

zu einem Anteil von 20 % am Gesamtbrennstoffmassenstrom, eingesetzt.

Der Dampferzeuger selbst ist als Benson-Zwangsdurchlaufkessel mit einfacher Zwi-

schenüberhitzung und Schwachlastschaltung ausgeführt. Die Heizflächen des Kes-

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sels für Economiser, Verdampfer, Überhitzer und Zwischenüberhitzer sind dabei auf

Wirbelbrennkammer, Rückführzyklone, Fließbettkühler und Nachschaltheizfläche

aufgeteilt. Diese sind über Rohrleitungen, mit dazwischen angeordneten dazugehö-

rigen Sammlern, Einspritzkühlern und Trenngefäßen, miteinander verbunden.

Im Designfall kann ein Frischdampfmassenstrom von 90,7 kg/s mit einer Tempe-

ratur von 540 °C und einem Druck von 196 bar erzeugt werden. Die Zwischen-

überhitzung erfolgt bei 42 bar und erreicht eine Dampftemperatur von 540 °C. Der

Turbosatz, bestehend aus Dampfturbine und Generator, kann eine elektrische Netto-

leistung von maximal 89 MW bereitstellen. Durch die eingesetzte Entnahmekonden-

sationsturbine kann zusätzlich Wärme in das Fernheiznetz ausgekoppelt werden,

wobei mit der eingesetzten Durchlaufkühlung auch ein vollständiger Kondensations-

betrieb realisiert werden kann.

Modellbildung

Das Simulationsmodell des Kraftwerksprozesses ist der wesentliche Bestandteil

eines Systems zur Prozessgüteüberwachung und bildet die Basis für weiterge-

hende Untersuchungen. Dabei waren zu Projektbeginn neben Simulationen des

Wasser-Dampf-Kreislaufs und aktuellen verfahrenstechnischen und R&I-Fließ-

bildern, auch Abnahmemessungen von Dampferzeuger [9] und Wasser-Dampf-

Kreislauf [10] und aktuelle Leistungskontrollmessungen am Turbosatz und

Dampferzeuger [11], verfügbar.

Aus Sicht einer ganzheitlichen Betrachtung und Bewertung des Gesamtsystems,

ergibt sich die Notwendigkeit, dass vorhandene Simulationsmodell um die Teil-

systeme Dampferzeuger und Rauchgasweg zu erweitern. Eine Übersicht des Ge-

samtmodells ist in Abbildung 2 zu finden. Dabei ergeben sich, bedingt durch die

technologischen Besonderheiten der Anlage, besondere Herausforderungen bei

der Modellbildung des Dampferzeugers.

Abb. 2: Gesamtmodell des Kraftwerksprozesses mit einzelnen Modellteilen und

zugeordneten Stoff- und Energieströmen

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