Institut für Kraftwerkstechnik Dampf- und Gasturbinen
Langzeitanalyse von Emissionen und Brennkammerpulsationen zur Betriebsüberwachung und –Optimierung
   
Betreuer Moritz Lipperheide, M.Sc., Dipl.-Ing. Frank Weidner
Motivation Der steigende Anteil regenerativ erzeugter elektrischer Energie im Strommarkt sorgt für eine Veränderung des Einsatzprofils von Gasturbinen, so dass der Betrieb im Teillastbereich für Hersteller und Betreiber eine größere Bedeutung gewinnt. Der Teillastbereich zeichnet sich durch ein deutlich verändertes Emissionsverhalten in Bezug auf CO- und NOx-Bildung aus und muss in Verbindung mit scharfen Grenzwerten gesondert vom Volllastbetrieb betrachtet werden. Außerdem sind in Teillast erhöhte Verschleißbelastungen durch Pulsationen und thermozyklische Belastungen zu erwarten, die wiederrum höhere Emissionen bedingen. Wartungsmaßnahmen, die im ursprünglichen Entwurf auf Dauerbetrieb bei Volllast geplant wurden und daher gut vertretbar mit fixen Wartungsintervallen angesetzt wurden, werden kürzer, was die Betriebskosten erhöht. Durch den stark individualisierten Betrieb der einzelnen Maschinen lässt sich die Wirtschaftlichkeit stark optimieren, indem von den starren Wartungsintervallen abgewichen wird. Stattdessen lassen sich Wartungsmaßnahmen ökonomischer planen, wenn der Zustand der einzelnen Maschinen individuell erfasst und im Wartungskonzept berücksichtigt wird.
Neben der verbesserten Planung von Wartungsmaßnahmen lässt sich die Wirtschaftlichkeit durch betriebsunterstützende Maßnahmen optimieren, die den Verschleiß der Maschine verringern. Modifikationen an der Maschinenkonfiguration (sogenannte readjustments) dienen dazu, Abweichungen vom vorgesehenen Betriebszustand zu korrigieren. Durch besseren Einblick in den Prozess lassen sich Abweichungen schneller erkennen und die negativen Auswirkungen deutlich begrenzen.
Letztlich bieten sich neue Möglichkeiten für das Betriebskonzept. Konkret lässt sich eine flexiblere Kontrolle der Feuerungstemperaturen erreichen, so dass je nach Einsatzkonzept des Kunden Anforderungen für Lebensdauer oder Wirkungsgrad in Volllast oder Teillast berücksichtigt werden können.
Methode

Grundlage für die Modellierung von Schadstoffemissionen und Alterungseffekten sind die Ergebnisse des Vorgängervorhabens "NOx-armes Verbrennungssystem". Die vorhandenen Modelle werden im Rahmen dieses Vorhabens weiterentwickelt und die Funktionsumfänge erweitert. Die Emissionsmodellierung hat bisher ausschließlich NOx als Produkt berücksichtigt, Mechanismen zur Beschreibung der CO-Produktion werden im Emissionsmodell ergänzt. Die Betrachtung der Pulsationen wird als neues eigenständiges Simulationsmodul aufgesetzt. Ein weiteres Augenmerk bei der Modellerstellung ist die Ressourceneffizienz. Um die Vorhersagemodelle zur Betriebsunterstützung verwenden zu können, sollen aus den Modellen echtzeitfähige Versionen abgeleitet werden, die im Kraftwerksbetrieb zum Einsatz kommen. Dazu sind zunächst geeignete Kontrollkonzepte zu untersuchen, um geeignete Möglichkeiten für die Einbindung von Echtzeitmodellen in die Betriebsabläufe zu finden. Die Echtzeitmodelle werden anhand der Vorgaben entsprechend der Kontrollkonzepte mit Hinblick auf die Rechengeschwindigkeit abgeleitet und an Messwerten validiert.

Förderung Das Projekt wird im Rahmen des AG Turbo Verbundprojekts „Cooreflex“ durchgeührt und vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi) gefördert.
Projektpartner  
Laufzeit  3.5 Jahre
Publikation