Emissionsarme Gasturbine 4.0

 

Motivation

Der steigende Anteil regenerativ erzeugter elektrischer Energie im Strommarkt sorgt für eine Veränderung des Einsatzprofils von Gasturbinen, die nun vor allem im zyklischen Betrieb einen wichtigen Beitrag zur Versorgungssicherheit in modernen Stromerzeugungssystemen leisten. Durch den transienten Betrieb sind allerdings 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 bei verringerter Stromproduktion erhöht.

Eine datengestützte Betriebsüberwachung mittels einem digitalen Zwilling (Gasturbine 4.0) der echten Maschine ist dabei eine kostengünstige Option der Langzeitüberwachung und Optimierung des Gasturbinenbetriebs ohne kostenintensive Komponentenneuentwicklungen.

Durch den stark individualisierten Betrieb der einzelnen Maschinen lässt sich die Wirtschaftlichkeit zum Beispiel stark optimieren, indem von den starren Wartungsintervallen abgewichen wird. Stattdessen lassen sich Wartungsmaßnahmen ökonomischer planen, wenn der Zustand der einzelnen Maschinen anhang Ihrer Langzeitperformance 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 bereits abgeschlossenen Vorhabens NOx-armes Verbrennungssystem. Vorhandenen Modelle werden im Rahmen der weiteren Forschung weiterentwickelt und die Funktionsumfänge erweitert. Die Betrachtung der Pulsationen wird als neues eigenständiges Simulationsmodul neben NOx- und CO-Emissionen 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 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.