Wärmepumpeneinbindung und Gesamtanlagenoptimierung am Beispiel des FHKW Tamsweg

Transkript

1 Wärmepumpeneinbindung und Gesamtanlagenoptimierung am Beispiel des FHKW Tamsweg Bernhard Kronberger VOIGT+WIPP Engineers GmbH Betreibertreffen 2015 Toblach, 19. März 2015

2 VOIGT+WIPP Engineers GmbH Gegründet 2007 (aktiv seit 2004) Geschäftsbereiche Energie- und Verfahrenstechnik Biomasseheiz(kraft)werke Fernwärmenetze Altholz- und Abfallverbrennung APC Advanced Process Control höhere Regelungstechnik Prozessindustrie (Papier, Chemie, Holz, etc.) Automatisierung und Process IT Automatisierung und Visualisierungslösungen Serverlösungen, Datenbanken, Forschungsgesellschaft VOIGT+WIPP Industrial Research GmbH Entwicklungsprojekte Forschungsprojekte mit TU Wien, BOKU Wien, be2020+, 20. März

3 Tätigkeitsbereiche - Fachgebiete VOIGT+WIPP bietet Lösungen in folgenden Fachgebieten: Verfahrenstechnik Analyse, Auslegung, Auswertung, Optimierung Advanced Process Control Leistung, Effizienz, Qualität Systemintegration übergeordneter Systeme, Automatisierung, Datenhandling

4 Produkte Services Produkte und Services BCS Biomass Control Solution Grate and fluidized bed combustion control Pufferspeichermanagement Heat Pump Management Maximum Plant Perf. Contr. Entschwadungsregelung Fast Power Tertiary Grid Control with large Power Plants High dynamic thermal load controller to sell electrical peak power (pos. & neg.) Soft Sensors for Industrial Processes BIONET Control Solution Automatic District Heating Network Optimization EPOC Energy & Production Optimization Controller Thermal power supply and utilization optimization DSfY-MPC Drying Solution for Paper Machines Product Quality and Energy Efficiency Control for Paper Machines ESCO Services Contracting, Expertises, Consulting, Operation, Planning Data Mining Process Knowledge Control Strategies Simulations & Simulators Matlab, Modelica, SimulationX, OTS Industrial Connectivty OPC, Fieldbusses, Ethernet KPI-Monitoring

5 Lösungen für Biomasseheiz(kraft)werke Biomass Control Solution Feuerungsleistungsregelung ( Kesselregelung ) Pufferspeichermanagement übergeordnetes Lastmanagement Engineeringleistungen zb. Wärmenetzsimulation, Strömungsoptimierung, Abnahmemessungen etc. Forschung und Entwicklung (VOIGT+WIPP Industrial Research)

6 Referenzen (Auszug Biomasse) Biomass Control Solution: Feuerungsleistungsregelungen Ca. 50 Anlagen von 2 bis 50MWth Pufferspeichermanagement inkl. Netzforecast und Lastmanagement Ca. 10 Anlagen

7 FHKW+ Tamsweg: Gesamtoptimierung 1. Potential für WP-Einbindung in HW 2. Wärmepumpeneinbindung- Hydraulik 3. Kondensationsanlagenanpassung 4. Automatisierungstechnik, Messtechnik zur Analyse und Modellvalidierung 5. Gesamtenergieeffizienz 6. Kessel- und Pufferspeicherbetrieb

8 Wärmepumpenintegration - Potentiale Aktive Rauchgaskondensation: Steigerung Brennstoffnutzungsgrad auf > 100% (zu LHV) Latente Energie aus Brennstofffeuchte kann (besser) genutzt werden (auch bei hohen Rückläufen) Reduktion der Feuchte im Abgas Entschwadung Andere Anwendungen von Wärmepumpen in Wärmenetzen Steigerung der Transportkapazität Wärmeverschub von RL in VL Dezentrale WP aus Rücklauf gespeist zur lokalen Versorgung und RL Absenkung Wärmepumpen zur Abwärmeeinspeisung in Netze Zum Sommerbetrieb ohne Biomassekessel (Entfall des ineffizienten Gluterhaltungsbetriebs) mit 2. Wärmequelle z.b. Luft oder Prozessabwärme

9 Wärmepumpenintegration Wärmequelle FHKW Tamsweg: Netzrücklauf Flachau, St Gilgen: Eigener Kältekreis und eigene Kondensationsbündel NACH Direktkondensation Wärmeabgabe: In den Netzrücklauf nach Direktkondensationsteil (VL Kondensations) Regelungstechnik: Regelung über VL Temperatur: konstante WP - Leistung Regelung über Leistungsziffer: optimierte Wärmegestehungskosten Max. Leistung bei Spitzenlastanforderung

10 Rauchgas Wärmepumpeneinbindung in den RL Entschwadungsluvo WP Kondensator 62 C Wärmepumpe 43 C Direktkondensation 55 C 40 C WP- 50 C Verdampfer 50 C 150 C

11 Rauchgas Wärmepumpeneinbindung mit eigenem Kältekreis Entschwadungsluvo 62 C 40 C WP- Kondensation Wärmepumpe WP Kondensator 55 C Direktkondensation 57 C 50 C 150 C

12 Wärmepumpenspezifikation Ziele der Wärmepumpenintegration: Nutzung von Kondensationswärme (zusätzlich zu RGK) Steigerung Brennstoffnutzungsgrad durch WRG Reduktion Spitzenlastverbrauch (=Leistungssteigerung) Hoher COP (Leistungsziffer) für Wärmepumpe UND Gesamtsystem ( System COP ) Anlagenleistung Auslegungslastpunkt festlegen aus Jahresgang und Potential im Rauchgas Auswirkung auf Entschwadung Kältemittel Temperaturniveaus Wärmequelle und Wärmesenke COP - Leistungsziffer GWP Potential, Sicherheitsaspekte Grädigkeit der Verdampfer, Kondensatoren Teillastfähigkeit der WP Anzahl der Kältekreise WP Kaskadierung Betriebsbedingungen Stabiler Betrieb für hohes COP

13 Beispiele WP Einbindung zur aktiven Kondensation FHKW+ Tamsweg 1MW Heizleistung, System COP ca. 4 HW Flachau 1,2MW System COP ca. 4,5 HW St. Gilgen 760kW, System COP ca. 4,4

14 Optimierung der Anlagentechnik Anpassung der Hydraulik der Kondensationsanlage (HT und NT Rücklauf) Nutzung von Direktkondensationspotential des NT Rücklaufs! Anpassung der RG-Kondensationsanlage ungünstige Anströmung und nass/trocken Betrieb Rauchgasführung optimiert Minimierung Falschlufteintritt Reduktion Abgasmenge Erhöhung Abgastaupunkt für Kondensations

15 Optimierung der Anlagentechnik - RGK Quelle: TBU Stubenvoll GmbH

16 Thermalölkessel Optimierungspotential der Feuerleistungsregelung Thermalöl-Vorlauf Zeit 3h O 2 max. O 2 Mittelwert 6,5vol% O 2 min. O 2 Schwankung ca. +/- 3% Absenkung des Abgastaupunkts und Steigerung des RGK Potentials Reduktion Kesselwirkungsgrad Leistungsschwankungen und Schwankung Feuerraumtemperatur Anbackungsbildung Eigenstromverbrauch

17 Thermalölkessel Ventilatordrehzahlen [%] Instabile Verbrennungsregelung Zeit 3h

18 Pufferspeichermanagement : :52 durch optimale Ausnützung des Puffervolumen kann: mehr ORC-Strom produziert werden ( ca. 45MWh el /Jahr -> 4 Wintermonate) der Ölverbrauch für den Spitzenlastkessel gesenkt werden eine ruhigere Fahrweise der Biomassekessel erreicht werden -> Anlagenschonung

19 Pufferspeichermanagment Pufferfüllstand: Max. Ausnützung des Puffervolumens Gleichmäßige Fahrweise des Thermalölkessel (1100kW ORC-Modul) Leistungsvorgabe der BMK Das Pufferspeichermanagement regelt die Leistungsvorgabe von Biomassekesseln Potential: Senkung Ölverbrauch, max. ORC Stromproduktion, gleichmäßige Lastvorgabe -> Anlagenschonung, Wirkungsgradoptimierung

20 Wärmenetzforecast Netzforecast: Prognosewerte über 24h und laufend für die nächsten 6h

21 PSM Lastmanagement Verstromung Teillast WW-Kessel/Kondi außer Betrieb Steigerung ORC Leistung auf 600kW (Einspeisemaximum) Keine Verdrängung des Thermalölkessels durch WW-Kessel oder Wärmepumpe (zu hohe Leistungsvorgabe)

22 Ergebnisse (vorläufig) Wärmepumpeneinbindung hydraulisch verbessert Falschlufteintritt eliminiert COP Wärmepumpe ca. 4 Kondensationsleistung konnte deutlich angehoben gestiegen (ca. 15%) WW Kessel läuft mit neuer Kesselregelung deutlich ruhiger und bei stabil niedrigem O2 Gehalt unter Einhaltung der Anlagengrenzen Gesamtbrennstoffnutzungsgrad um 10 bis 15% gesteigert Eigenstrombedarf reduziert (Gebläse, v.a. RGV) Die weitere Projektumsetzung der Optimierung (TÖ Kessel, PSM, Lastmanagement, ) läuft aktuell!

23 Danke! DI Dr. Bernhard Kronberger VOIGT+WIPP Engineers GmbH Märzstraße 120, 1150 Wien