Partikelabscheidung aus Abgasen

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1 ABGASREINIGUNG Hohe Abscheideleistungen und Anlagenverfügbarkeit bei minimalem Energieverbrauch das sind die Anforderungen, die Elektrofilter heute erfüllen müssen. Voraussetzung dafür ist eine ständige Optimierung des Filterbetriebs unter Berücksichtigung der sich ändernden Prozessparameter und Einflussgrößen. Im Stein - kohlekraftwerk der Voerde OHG, Evonik Steag GmbH und RWE Power AG konnte durch die Modernisierung der Elektrofilter der Energieverbrauch nachhaltig gesenkt werden. Das Ergebnis sind geringere Betriebskosten, ein höherer Wirkungsgrad der Gesamtanlage und eine gerin - gere Umweltbelastung durch den Betrieb der Elektrofilter. Intelligentes Energiesparen beim Einsatz von Elektrofiltern Wirkungsgrad steigern und Kosten reduzieren Elektrofilter dienen zur elektrostatischen Partikelabscheidung aus Abgasen der Industrie- und Kraftwerksanlagen mit heutigen Abscheideleistungen von über 99,9 %. Um die Umweltbelastung bei der fossilen Energieerzeugung zu reduzieren, die Betriebskosten (Energiekosten) zu senken und den Wirkungsgrad der Gesamtanlage zu steigern, empfiehlt es sich, auch bei Elektrofiltern den Eigenbedarf zu optimieren. Dieser wird vor allem durch den Energieverbrauch der Hochspannungserzeuger bestimmt. Dies gilt insbesondere bei großen Filteranlagen in Kraftwerken mit einem Energieverbrauch im Megawatt-Bereich. Für die maximal benötigte Abscheideleistung der Filter werden die einzelnen Hochspannungserzeuger so geregelt, dass auch bei wechselnden Betriebsbedingungen stets ein minimaler Energieverbrauch gegeben ist. Im Steinkohlenkraftwerk der Voerde OHG, Evonik Steag GmbH und RWE Power AG am Niederrhein konnte durch umfassende Modernisierungsmaßnahmen der Energieverbrauch nachhaltig optimiert werden. Das Kraftwerk Voerde ist ein Steinkohlekraftwerk in Voerde (Niederrhein) im Kreis Wesel und liegt unmittelbar am Rhein. Jährlich produziert das Kraftwerk aus rund 4 Mio. t Steinkohle etwa 11,5 Mrd. kwh Strom. Die vier Kraftwerksblöcke West I und II sowie Voerde A und B haben zusammen eine installierte Leistung von MW und decken den Bedarf von etwa drei Millionen Haushalten. Ein Kohlelager mit einem Fassungsvermögen von t gleicht Liefer- und Verbrauchsschwankungen aus und reicht bei einem täglichen Verbrauch von t für einen vierwöchigen Betrieb aus. Die Rauchgase der bei- 25

2 Bild 1 Modernisierung der Hochspannungsschaltanlagen in den Blöcken A und B des Kraftwerks Voerde. den Benson-Kesselanlagen der Blöcke A und B werden durch nachgeschaltete Entstickungskatalysatoren gereinigt, gefolgt von je zwei parallelen Elektrofiltern und einer Rauchgasentschwefelungsanlage. Um die Anlagenverfügbarkeit zu steigern, die Transparenz des Elektrofilterbetriebs zu erhöhen und den Energieverbrauch zu optimieren, ersetzte Siemens im August 2005 (Block A) und Juli 2009 (Block B) die bestehenden Steuerschränke der Hochspannungserzeuger für die Elektrofilter. Diese wurden bereits 1981 und 1984 von Siemens geliefert. Mit modernisierten Hochspannungserzeugern zu mehr Energieeffizienz Siemens tauschte insgesamt 40 Hochspannnungs-Steuerschränke der Filter 10 und 20 für Block A und B mit Wiederverwendung der installierten Hochspannungs-Gleichrichtergeräte aus. Zusätzlich wurden zwei Rangierschränke mit integrierter, analoger Regelung durch zwei PC-Steuerschränke zur zentralen Profibus-Kopplung und Filteroptimierung durch die Expertensoftware Winpic ersetzt. Winpic ermöglicht die zentrale Bedienung, Visualisierung und Datenarchivierung der Elektrofilter mit integrierten Diagnosefunktionen, die den Filterbetrieb transparent machen und die Wartungsarbeiten erheblich erleichtern bzw. beschleunigen. Die Funktionalität reicht von der Online-Darstellung aller Messwerte über die Messdatenaufbereitung bis hin zum Energiemanagement mit Fuzzy-Logic zur Senkung der Betriebskosten. Durch den Einsatz von Sifupic-F-Thyristorsteuerungen in Verbindung mit Winpic wird das Einsparpotenzial der verschiedenen Felder in Abhängigkeit zum Emissionsgehalt kon- Winpic... bezeichnet eine PC-basierte Industrielösung zur Bedienung, Visualisierung, Messdatenarchivierung und Diagnose der Hochspannungserzeuger (Thyristoranlagen mit Sifupic F Thyristorsteuerung oder PIC420F-IGBT-Umrichteranlagen) für Elektrofilter. Darüber hinaus optimiert Winpic übergeordnet den Energieverbrauch der Hochspannungserzeuger in Verbindung mit dem Emissionssignal und stellt weitere Funktionen wie zum Beispiel die Koordination der Klopfersteuerung zur Verfügung. Durch die Energieminimierung wird der Energieverbrauch der einzelnen Hochspannungserzeuger so optimiert, dass mit minimalem Energieverbrauch die maximale Abscheideleistung erreicht wird. In Abhängigkeit zum Design und mechanischen Zustand der Elektrofilter sowie den Prozessbedingungen ergeben sich Energieeinsparungen, wie am Beispiel des Kraftwerks Voerde beschrieben, die bis über 80 % betragen können. Die Investition zur Modernisierung amortisiert sich typischerweise in weniger als zwei Jahren. 26

3 Bild 2 Funktionsweise der Energieminimierung. tinuierlich ermittelt. Dies ermöglicht die genaue Einstellung der Leistung jeder einzelnen Steuerung. Zur Übertragung der Signale zwischen der jeweiligen Steuerung und den Hochspannungsgeräten wurden zwischen den Sifupic-F-Thyristorsteuerungen und den Hochspannungs-Gleichrichtergeräten zum Ausschluss von Störeinkopplungen Lichtwellenleiterkabel installiert. Das Modernisierungsspektrum umfasst außerdem die Ausführung der Profibus-Kopplung mit Lichtwellenleiterkabel zwischen den Sifupic-F-Thyristorsteuerungen und dem PC für den zentralen Busanschluss zum bestehenden Teleperm-XP- Leitsystem (Bild 1). Auch die Steuerungsaufgaben der Niederschlagselektrodenklopfung werden durch die Sifupic-F-Thyristorsteuerungen übernommen und von Winpic koordiniert. Dafür werden die Klopfzeitvorgaben entsprechend der Kessellast und damit entsprechend der Staubmenge gesteuert. Die Realisierung der Visualisierung und Bedienung der Hochspannungserzeuger und der Hilfsantriebe im Blockleitsystem Teleperm XP runden den Liefer- und Leistungsumfang ab. Energieminimierung durch modernste Elektrofilter-Technologie Über die Winpic-Software werden alle übergeordneten Optimierungen wie zum Beispiel die Energieminimierung ausgeführt. Diese basieren auf der patentierten Fuzzy-Logic-Technologie, die maximale Abscheideleistungen selbst bei schnell wechselnden, kritischen Betriebsbedingungen erlaubt. Als unterlagerte Regelgröße dienen die im Reingaskanal kontinuierlich erfassten Emissionswerte. Die analogen Emissionssignale sowie weitere Prozesssignale werden über Profibus oder über Analogeingänge der Sifupic-F-Thyristorsteuerung an Winpic übergeben. Für die Energieminimierung wird einmalig die Konfiguration der Elektrofilter, also die Zuordnung der Hochspannungserzeuger zu den einzelnen Filterzonen/-Felder, parametriert. Nach dem das Optimierungsprogramm gestartet ist, er- 27

4 Bild 3 Messdatentrends zur Ermittlung des Vergleichs des Energieverbrauch mit und ohne Energieminimierung (E MIN ) (blau: Generator - leistung [mw]; rot: Filterleistung [kw]; schwarz: Emission [mg/m³ (i.n.)]. Bild 4 Vergleich des Energieverbrauchs mit und ohne Energieminimierung. 28

5 folgt die Transformation jedes Elektrofilters in drei charakteristische Teilzonen; und zwar in die Eintritts-, die Mittelund die Austrittszone (Bild 2). Für die den Teilzonen zugeordneten Sifupic-F-Thyristorsteuerungen werden nacheinander verschiedene Stromsollwerte vorgegeben und die gemessenen Leistungen sowie Mittel- und Spitzenwerte der Emission in Verbindung zum Emissionsgrenzwert dem Fuzzy-Regler übergeben. Dieser ermittelt mittels Gradientenbildung das Potenzial für die Energieeinsparung sowie die neuen Stromsollwerte für die drei Zonen. Mit der Rücktransformation in die reale Filterkonfiguration erhält jede Thyristorsteuerung einen individuellen Sollwert. Schrittweise wird so kontinuierlich der Energieverbrauch optimiert und stets der Emissionswert, etwa zur Einhaltung der 13. Verordnung zur Durchführung des Bundesimmissionsschutzgesetzes, überwacht. Steigt die Emission bis zum Grenzwert an, wird die Leistung der einzelnen Felder dem Anstieg entsprechend gesteigert, und so werden Grenzwertüberschreitungen vermieden. Zusätzliche Energieeinsparung von bis zu 30 Prozent Nach über einem Jahr Betriebserfahrung für beide Blöcke wurde die durch die Modernisierung erreichte Energieeinsparung erneut analysiert. In den Winpic-Trendaufzeichnungen (Bild 3) ist beispielhaft für einen Tag die Generatorleistung (blau), die gemessene Emission (schwarz) und die an das Filter abgegebene Wirkleistung (Koronaleistung in rot) aufgezeichnet. Um die Auswirkung der Energieoptimierung darzustellen, wurde beispielhaft für zirka eine Stunde die Energieminimierungsfunktion deaktiviert. Dieser Test wurde mit gleichem Ergebnis auch an anderen Tagen bei unterschiedlichen Lastzuständen wiederholt. Dabei kam man zu vergleichbarem Ergebnis. In einem Zeitraum von Januar 2009 bis Juli 2010 wurden die Messergebnisse gesammelt und analysiert (Bild 4). Dabei lässt sich eine Einsparung des Energieverbrauchs (bezogen auf die Koronaleistung) bei den einzelnen Elektrofiltern zwischen 68 und 82 % feststellen. Für den oben angegebenen Zeitraum entspricht das einer Gesamt-Energieeinsparung von 16,9 GWh. Auf ein Jahr gerechnet liegt die Einsparung bei 13,1 GWh. Gegenüber der ursprünglich realisierten Energieminimierung durch die Analogtechnik wurde der Energieverbrauch somit um weitere 30 % gesenkt. Die Investitionen zur Modernisierung haben sich also in kürzester Zeit amortisiert. Weiterhin reduzieren sich die Instandhaltungskosten, da bei abgesenktem Betrieb der Hochspannungserzeuger zum einen die elektrischen Komponenten weniger belastet werden und zum anderen durch eine deutlich geringere Anzahl von Filterentladungen der mechanische Verschleiß durch Funken erosion reduziert wird. Zusätzlich wurde aufgrund der erreichten Energieeinsparung allein im bereits dargestellten Zeitraum der CO 2 -Ausstoß um mehr als t (ausgehend von 830 kg CO 2 / MWh) reduziert. Wie die Messergebnisse zeigen, zahlt sich die Investition für die Modernisierung vorhandener Filtersteuerungen, die nicht dem heutigen Stand der Technik entsprechen und somit nicht über modernste Optimierungsfunktionen verfügen, aus. Michael Klöckner, Siemens AG i michael.kloeckner@siemens.com 29