Resultate fortschrittlicher Verbrennungsoptimierung in der SWB Verwertung, Bonn

Transkript

1 Resultate fortschrittlicher Verbrennungsoptimierung 7200 Resultate fortschrittlicher Verbrennungsoptimierung in der SWB Verwertung, Bonn Dipl.-Ing. Manfred Becker, Dipl.-Ing. Horst Duttenhofer, Frank Nachtsheim, Dipl.-Kfm. Alexander Carl Hanf 1.0 Die Müllverwertungsanlage Bonn Die SWB Verwertung liegt im Zentrum von Bonn und verwendet ca Tonnen Abfall pro Jahr aus der Region zur Produktion von ca. 505 MWh Dampf für das benachbarte HKW Nord. Dieses erzeugt daraus 87,6 Mio. kwh Strom und 206 Mio. kwh Fernwärme. Die Inbetriebnahme der drei Linien erfolgte am 5. Mai Der durchschnittliche Heizwert des Abfalls beträgt ca. 9 bis 10 MJ/kg. Es kommen Von- Roll Vorschubroste mit heute je 33 Mg/h Durchsatz zum Einsatz. Die vier Zonen werden durch zwei mechanisch verbundene Zuteiler beschickt. Nachträglich wurden Prismabalken nachgerüstet, um durch dort erfolgende Sekundärlufteindüsung NO x und CO zu reduzieren (vgl. Abbildung 1). Durch die Beweh- Abbildung 1: Prinzipskizze Kesselschnitt mit Prismabalken und Ort der Verschlackung vor der Installation PiT Navigator MuA Lfg. 1

2 7200 Thermische Verfahren rung mit Dampfleitungen erfolgt außerdem eine höhere Dampfausbeute. Nachteil dieses Konzepts ist die sich regelmäßig zwischen Rückwand und Balken aufbauende Verschlackung, die sogar zu einem vollständigen Zuwachsen einer Seite führen kann. In 2007 evaluierte die Müllverwertungsanlage Bonn die Ablösung der bestehenden Feuerleistungsregelung (FLR) durch ein System, das in der Lage sein sollte, die Standardabweichung Dampf von im Durchschnitt 1 Mg/h bei einem Sollwert von 33 Mg/h, oder 3,1% zu reduzieren. Weiteres wesentliches Ziel ist die Emissionsreduktion. Durch innenstadtnahe Lage der Anlage sollen die Belastungen für Anwohner wo immer möglich reduziert werden. Ein weiteres wichtiges Kriterium war, dass die bestehende FLR zwar abgelöst werden sollte, aber einerseits dies im laufenden Betrieb parallel zur bestehenden FLR erfolgen sollte und andererseits auch bei einem möglichen Ausfall der neuen FLR die Möglichkeit bestehen sollte, wieder auf das alte System zurückschalten zu können. Nach einer sorgfältigen Evaluierung verschiedener Anbieter entschied sich die Müllverwertungsanlage Bonn für den PiT Navigator von Powitec Intelligent Technologies. 2.0 Der Verbrennungsoptimierer Der fortschrittliche Verbrennungsoptimierer wird durch die Firma Powitec Intelligent Technologies GmbH aus Essen hergestellt und unter dem Namen PiT Navigator vertrieben. 2.1 Powitec Intelligent Technologies Powitec ist ein deutsches Unternehmen, ansässig in Essen und Ilmenau. Rund 50 Mitarbeiter haben umfangreiches Fachwissen zu neuronalen Netzen und Verbrennungsprozessen. Die enge Kooperation mit Partnerschaft mit der Technischen Universität Ilmenau, Fakultät für Informatik und Automatisierung, Fachgebiet Neuroinformatik und kognitive Robotik, gewährleistet einen permanenten Eingang von neuesten Forschungsergebnissen in praktische Regelungskonzepte. Powitec Systeme optimieren industrielle Verbrennungsprozesse in Drehrohröfen (Zement, Kalk, Sonderabfall) sowie in Kraftwerken und Abfallverbrennungsanlagen. Hauptvorteile der Powitec Technologie ist die Energieeffizienzsteigerung bei höherer Produktionsrate, kombiniert mit Emissionsreduktion. 2.2 Der PiT Navigator Systemübersicht Um die Struktur und Charakteristik von Flammen und Rauchgasen zu analysieren, kommen Wärmebilder (Thermografiebilder) und ein nichtlineares vorausschauendes Kontrollsystem NMPC (Non linear Model Predictive Control) zum Einsatz, das auf selbstlernenden neuronalen Netzen basiert. Zusammen 2

3 Resultate fortschrittlicher Verbrennungsoptimierung 7200 Abbildung 2: Übersicht PiT Navigator mit herkömmlichen Prozessparametern ist damit eine genaue Echtzeitprognose der Prozessergebnisse (z. B. Temperatur, Dampfmenge, O 2 ) und der zu erwartenden Emissionen (NO x, CO, SO 2 etc.) möglich. Daraus errechnen sich Korrekturen der Stellgrößen, die in Echtzeit in das Prozessleitsystem zurückgespeist werden. Damit lassen sich spezifische Optimierungsziele erreichen, die auch aus einer gewichteten Zusammenstellung unterschiedlicher Einzelziele bestehen können. Dieser Ansatz hat bereits in der Zementindustrie, bei Müllkraftwerken und herkömmlichen Kraftwerken beeindruckende Effizienzzuwächse erbracht. Das Prozessleitsystem bekommt durch diesen Ansatz von Powitec sozusagen Augen und Gehirn. Der PiT Navigator bei der Müllverwertungsanlage Bonn ist also ein Regelungspaket, bestehend aus lernfähiger Software und drei optischen Sensoren zur Flammenanalyse (Abbildung 2). Über eine Schnittstelle werden permanent online die Leittechnikdaten des Verbrennungsprozesses gelesen. Der PiT Navigator korreliert diese Daten dann mit optischen Verbrennungsraum-Merkmalen mit Hilfe von Software auf Basis von neuronalen Netzen. Die vom PiT Navigator berechneten Sollwerte werden über die Schnittstelle zum Leitsystem geschrieben. Diese verbesserten Stellbefehle regeln kontinuierlich zum optimalen Brennstoff-/Luft-Verhältnis. Um den Verbrennungsprozess zu optimieren, ist es essentiell, die Flamme und das Rauchgas selbst als wesentliche Informationsquelle zu begreifen und zu erschließen. Dazu werden in der Müllverwertungsanlage Bonn drei optische Sensoren eingesetzt. Die Sensorlanze enthält ein Endoskop, ist luftgekühlt und durch Einsatz eines speziellen Spülluftdüsenkopfes wird verhindert, dass Verschmutzungen die Sicht auf die Flamme behindern. Die CMOS-Kamera befindet sich im äußeren Gehäuse, wird ebenfalls luftgekühlt und gestattet eine MuA Lfg. 3

4 7200 Thermische Verfahren sowohl räumlich als auch zeitlich hoch auflösende Beobachtung. Die Sensoren sind mit Wasser gekühlt und die Optik wird mit Druckluft frei gehalten. Daher gehört zu jedem Sensor ein zusätzlicher Feldschrank in dem die erforderlichen Medien Spülluft und Wasser eingestellt und überwacht werden Die optischen Sensoren Einbauort Kesseldecke Der Sensor ist seitlich in der Kesselwand angebracht und senkrecht nach unten auf den Rost gerichtet. Die Medienversorgung erfolgt von oben über eine Kabel- und Schlauchtrasse, die am anderen Ende bei dem zugehörigen Feldschrank endet. Dieser befindet sich in circa vier Metern Entfernung. Einbauort Schlackeabwurf Zur Beobachtung des Ausbrandes wurde dieser Sensor in eine schon vorhandene Öffnung eingebracht. Dieser Sensor ist ein zweikanaliges System: Der durch ein Endoskop gewonnene Lichtstrahl wird durch einen Strahlteiler auf eine Digitalkamera und auf eine Videokamera geleitet. Ein Kanal beobachtet die Feuerung und liefert die Bildinformationen für die digitale optische Analyse, der andere Kanal liefert reguläre Videobilder auf den Leitstand (wie die gewöhnliche Feuerraumkamera). Einbauort Müllaufgabe Dieser Sensor ist auf der Anzünddecke angebracht und beobachtet die Abfallaufgabe und Abfallanzündzone Digitale Bildverarbeitung Die Powitec Sensoren (PiT Multisensoren) stellen schnell und direkt aus dem Feuerraum eine hohe Anzahl reproduzierbarer und signifikanter Signale für digitale Bildverarbeitung bereit. Ausreichende Signalstärke und hohe Korrelation zu Parametern des feuerungstechnischen Wirkungsgrades zeichnen diese Signale aus. Besonderheiten der PiT Multisensoren sind: Hoher Dynamikumfang durch Belichtungszeitserien für alle Farbbestandteile (Rot, Grün und Blau). Permanente Variationen der Kameraeinstellungen erlauben, dass gleichzeitig sehr dunkle und sehr helle Bildinhalte mit starkem Kontrast erfasst werden. RGB-Thermografie: Pixelweise Verarbeitung von 25 Bildern pro Sekunde aus verschiedenen Wellenlängenbereichen (Berechnung der Temperatur ähnlich der Quotientenpyrometrie). Jeder Pixelpunkt ist ein eingeständiges Pyrometer. Anti-Dust-Filter: Staubreduktion der Bilder durch einen patentierten Anti- Dust-Filter durch Aufbau der Bilder aus gut verwertbaren Bestandteilen einer Vielzahl einzelner Bilder. Signal Verschmutzungsgrad des Sensors : Zur zustandsorientierten Wartung des Sensors, permanente Anzeige des Verschmutzungsgrads des Sensors (Linse). 4

5 Resultate fortschrittlicher Verbrennungsoptimierung 7200 Lichtstarkes Endoskop: Die spezielle Endoskoptechnologie von Powitec minimiert den Verlust optischer Informationen. Die aus der vollständigen Analyse des Feuerraums (Anzündzone, Hauptverbrennungszone und erster Zug sowie Ausbrandzone) permanent und automatisch gewonnenen Daten werden dazu benutzt, Korrelationen mit den weiteren Daten des Prozessleitsystems zur Optimierung des Prozesses zu finden. Bei der Abfallverbrennung stehen neben der Verbesserung der Abgaswerte die Vermeidung von Last-, NO x - und CO-Spitzen, die Einhaltung einer gleichmäßigen Flammenform und -temperatur und eine möglichst lange Betriebszeit zwischen Revisionen durch Vermeidung lokaler CO- oder Lastspitzen im Zentrum. Dadurch werden auch die Dampferzeugung und damit die Stromerzeugung wesentlich gleichförmiger Prozessdaten Reproduzierbare Prozessdaten sind die Voraussetzung zur Optimierung des Prozesses. Der Powitec Optimierer ist durch eine Modbus-Schnittstelle an das bestehende Prozessleitsystem Siemens Teleperm M gekoppelt. Es werden sämtliche Daten des Verbrennungsprozesses, beginnend bei Krangewicht und -frequenz und bei den Emissionsdaten endend permanent ausgelesen: Kranwaage Kranfrequenz Beschickungsgeschwindigkeit Beschickungshub Dampfleistung Primärluftmenge Zone 1 4 Primärluftmenge Summe Primärluftdruck in Zone 1 Primärlufttemperatur Primärluftklappenstellung je Zone Rost Hub je Element Rost Geschwindigkeit je Element Roststabtemperatur je Zone Sekundärluftmenge Summe Sekundärluftklappenstellung Sekundärluftdruck Sekundärlufttemperatur Feuerraumendtemperatur Feuerraumdruck Dampfmenge Dampfdruck MuA Lfg. 5

6 7200 Thermische Verfahren Dampftemperatur Rauchgastemperatur 850 Zone Temperaturen 1. & 2. Zug links & rechts Temperaturen Zone 4 Speisewassermenge Trommelwasserstand Ölmenge Brenner O 2 -Rohgas NO-Rohgas CO-Rohgas Es ist ein entsprechendes Maß an Ingenieurleistung erforderlich, um dem System aus dem sehr großen Spektrum vorhandener Messdaten diejenigen herauszufiltern und entsprechende Vorverarbeitungsparameter zu definieren, die die regelungstechnisch notwendige Information tragen. Powitec hat hierzu Lösungen entwickelt, die eine weitgehend automatisch ablaufende Konfiguration der Kanalauswahl und Parametrierung realisieren. Diese Verfahren beschränken sich dabei nicht nur auf die klassischen Messungen aus dem Leitsystem, sondern sind ebenfalls in der Lage, aus dem hochdimensionalen und damit deutlich voluminöseren Datenstrom der Bilder oder Spektren der CMOS-Kameras handlungsrelevante Merkmale automatisch zu extrahieren. Aus den Rohdaten werden zunächst mit einem initialen Basisfilter (feature extractor) Merkmale berechnet. Zwischen diesen Merkmalen und den interessanten Zielgrößen wird anschließend ein Informationsmaß berechnet, welches Aufschluss darüber gibt, wie informativ die extrahierten Merkmale bezüglich der Zielgröße sind. Die Ableitung dieses Maßes nach den Parametern des Merkmalsextraktors werden anschließend genutzt, um per Gradientenaufstiegsverfahren den Merkmalsextraktor so zu verändern, dass er maximal informative Merkmale bezüglich des Zielkanales liefert. Mit diesem Verfahren werden vollautomatisch aus dem verfügbaren Datenstrom die regelungstechnisch erforderlichen Informationen extrahiert, die anschließend dem eigentlichen Regelungssystem als Arbeitsgrundlage zur Verfügung gestellt werden. Analog zur automatischen Merkmalsextraktion wird auch bei der Auswahl der zu nutzenden Stellgrößen ein selbst organisierendes Konzept angewendet. Zur Prozessbeeinflussung stehen bei der Müllverwertungsanlage Bonn eine ganze Reihe möglicher Stellgrößen zur Verfügung. Unklar ist jedoch meist, welche Kombination dieser Stellgrößen zum Erreichen der definierten Optimierungsmatrix geeignet ist. Durch eine automatisierte Analyse der Wirkungsstärke jeder untersuchten Stellgröße auf die einzelnen Zielgrößen und, welche Nebenwirkungen auf andere Zielgrößen vorliegen, erfolgt die Ermittlung einer geeigneten Stellgrößenkombination Brennstoff-Luft-Verhältnis Die Beherrschung des Verbrennungsvorgangs ist primär durch das Brennstoff-Luft-Verhältnis und eine optimale Luftverteilung im Kessel definiert. Ein 6

7 Resultate fortschrittlicher Verbrennungsoptimierung 7200 hoher Luftüberschuss erhöht die Abgasverluste, was sich auch in einem erhöhten Energieverbrauch bei den zugehörigen Ventilatoren ausdrückt. Zu wenig Luft führt hingegen zu einem höheren NO x -Gehalt im Abgas sowie zu einem höheren Anteil nicht verbrannten Brennstoffs in der Asche. Das Abgas ist dann außerdem insgesamt korrosiver, greift die Rohre in den Dampferzeugern (Flossenwände) stärker an und reduziert damit die Betriebsdauer. Daher ist die richtige Balance von Luft und Brennstoff entscheidend für die Minimierung der Betriebs- und Wartungskosten. Doch in der Praxis ist diese Balance schwer zu finden, da der Brennstoff sehr inhomogen ist und Informationen über die Brennstoffmenge, Schüttdichte, den Heizwert und andere Brennstoffeigenschaften nicht in der nötigten Genauigkeit vorhanden sind. Zudem erhöhen Umwelteinflüsse (Abfallfeuchte) sowie ein breites Spektrum möglicher Brennstoffe die Variationen. Die Regelung muss demnach das Verhältnis und die Durchflussraten von Luft und Brennstoffen angleichen, ein breites Spektrum alternativer Brennstoffe erlauben und dabei die Flamme und die Verbrennung insgesamt stabil und abgasarm halten können; das ganze noch bei unterschiedlichen Lastprofilen und möglichst eigenständig, ohne externen Eingriff Flamme und Flammenanalyse Die Flamme ist das Herz des Verbrennungsprozesses. Für eine Optimierung sind daher Informationen direkt aus der Flamme entscheidend. Die größte Herausforderung bei der optimierenden Verbrennungsregelung ist die gleichzeitige Verfolgung konkurrierender Optimierungsziele. Diese Komplexität wird speziell in thermischen Abfallbehandlungsanlagen erhöht durch schwankende Heizwerte, variierende Schüttdichten und unterschiedliche Abbrandgeschwindigkeiten. Parallel soll die Energieeffizienz maximiert werden, der Prozess möglichst konstant ablaufen und somit Anlagenkomponenten möglichst gleichmäßig und damit schonend betrieben werden. Außerdem sollen Emissionen und Reststoffe minimiert werden. All dies sind Kennzeichen für eine optimierte Balance zwischen Brennstoff und Luft also Kennzeichen einer optimal geregelten Verbrennung. Zur exakten Regelung sind aktuelle Messwerte die entscheidende Voraussetzung. Daher besteht die Notwendigkeit, Messwerte direkt aus dem Prozess zu erhalten. Häufig eingesetzte videobasierte Kamerasysteme liefern dem Anlagenfahrer zwar Informationen zum Flammeverhalten, aber es hängt von dessen individuellen Fähigkeiten ab, diese komplizierten Informationen zu deuten. Ob die richtigen Schlüsse gezogen werden, hängt vom Erfahrungsniveau und der Beobachtungsintensität ab. Mehr oder minder speziell entwickelte Mess- und Überwachungssysteme, z. B. auf Infrarotkameras basierend, werden in moderne Regelungskonzepte eingebunden und zur Darstellung einer Temperaturverteilung genutzt. Das erzeugte Bild wird verwendet, um Durchschnittstemperaturen an verschiedenen Positionen auf dem Rost anzuzeigen. Dies soll dann Auskunft über die Verbrennungsintensität an der jeweiligen Position geben. Allerdings beeinflussen Staub und brennende Partikel die gemessenen Temperaturen stark. MuA Lfg. 7

8 7200 Thermische Verfahren Der Vorteil eines Infrarot-Kamera basierten Regelungssystems ist die zweidimensionale Information. Eine wesentliche Schwäche dieser Technik ist allerdings, neben dem hohen Preis, die Notwendigkeit zur Interpretation der Daten und der Einfluss fester Partikel auf das Bild. Eine hohe Strahlungsintensität in einem Bereich kann das Resultat brennender Partikel und/oder einer Rußkonzentration sein. In einigen Betriebspunkten ist die Vergasung ausgeprägter als die Verbrennung. Die Infrarot-Analyse bietet dazu aber keine Informationen. Um exakte über die Temperaturmessung hinausgehende Informationen aus dem Verbrennungsprozess zu erhalten, hat Powitec ein intelligentes Flammen- und Rauchgas-Analysesystem entwickelt. Dieses extrahiert Informationen direkt aus Abfallbett, Flamme und Rauchgas und analysiert die Verbrennung erheblich genauer. Die gewonnenen Daten liegen digital vor und können daher mit Anlagen-Messwerten korreliert werden. Neben örtlicher und zeitlicher Analyse der Temperaturen werden Flammenintensität und -frequenz sowie Flammenvolumen und -form permanent analysiert. Dies gelingt durch CCD Kameras mit on-board PC, welche durch luftgekühlte Endoskope den Prozess beobachten. Die integrierte digitale Bildverarbeitung liefert hochdynamisch entscheidende Prozessparameter wie Flammenlage und Flammenvolumen, Turbulenz, Verweilzeit und Strömungsverhalten bei einer hohen Orts- und Zeitauflösung. Da diese Parameter mit Emissionen (CO, CO 2, NOx) korrelieren, steht damit eine einzigartige Informationsquelle digital und zeitaktuell zur Verfügung. Darüber hinaus wird die Ausbrandlinie permanent automatisch analysiert: Abbildung 3: Automatische Ausbrandliniendetektion; links: Feuer zu kurz, rechts: Feuer zu lang Aus der Erfahrung wurde eine optimale Ausbrandlinie bei dem (relativen) Wert 1,2 definiert. Durch Analyse der einzelnen Pixel und der entsprechenden Helligkeit und Temperatur kann der PiT Navigator genau bestimmen, ob dieser Wert eingehalten wird. In Abbildung 3 links ist die Ausbrandlinie mit einem Wert von 1,14 nicht optimal getroffen, das Feuer ist ein wenig zu kurz. Im Bild rechts ergibt sich ein Wert von 1,6, der damit über dem definierten Sollwert liegt und ein zu langes Feuer anzeigt. Erst durch diese permanente Analyse wird eine automatisierte Reaktion möglich. 8

9 Resultate fortschrittlicher Verbrennungsoptimierung Analyse und Vorhersage Die Informationen über Abfallbett, Flamme und Rauchgas werden mit den Daten des Prozessleitsystems korreliert und dienen als Eingabe für die Optimierungssoftware PiT Navigator auf der Basis eines selbstlernenden adaptiven neuronalen Netzes. Der PiT Navigator arbeitet mit allen gängigen Prozessüberwachungssystemen über eine Schnittstelle (z. B. OPC, Modbus, Profibus, RK 512) zusammen. Aus diesen Daten werden selbstständig dominante Regelungsparameter und ihre optimale Veränderung bestimmt. Dies geschieht mittels Prozessmodellen, die in der Lage sind, Abhängigkeiten zwischen Flammencharakteristik und anderen Prozessparametern zu erkennen. Durch diese Prozessmodelle ist der PiT Navigator ebenfalls in der Lage, die Ergebnisse (Temperatur, Emissionen) der nächsten zwei bis drei Prozessschritte vorherzusagen und somit einen Blick in die nähere Zukunft zu erzeugen. Variierende Prozesszustände, Anlagendrift durch Abnutzung oder variierende Brennstoffeigenschaften können so automatisch erkannt und optimiert werden. Der PiT Navigator stellt darüber hinaus grafisch die verschiedenen untersuchten Szenarien dar. Erzeugte Simulationen werden ebenso wie Vorhersagewerte permanent angezeigt. Somit erhalten Anlagenfahrer und Prozessexperten einen schnellen Überblick zum aktuellen Zustand, der historischen und der künftigen Entwicklung des Prozesses. Zusätzlich nutzen viele Betreiber die Möglichkeit der Anzeige von Ampelfunktionen, Alarmsignalen, Kennwerten und grafischen Trends. Ein Kritikpunkt gegenüber neuronalen Netzen ist die eingeschränkte Möglichkeit, bei schwankender Abfallzusammensetzung eine dauerhaft funktionierende Prozessmodellierung vorzunehmen. Der PiT Navigator ist aber in der Lage, durch die Kombination mit drei optischen Sensoren Trocknungs-, Anzünd-, Brand- und Ausbrand-Verhalten des Abfalls zu analysieren und mit selbstlernender Adaptivität darauf zu reagieren. Dies führt zu Korrelationskoeffizienten von über 0,95, also zu hervorragenden Prozessmodellen Optimierung Der PiT Navigator berücksichtigt die spezifischen Optimierungsziele der Anlage. Diese werden vom Management in Form einer (gewichteten) Hierarchie vorgegeben. Durch die kontinuierliche Berücksichtigung sämtlicher Sensorik (Prozessdaten) und Beeinflussung sämtlicher Aktorik (Feuerraum) werden bislang nicht gekannte Optimierungspotenziale erschlossen (Abbildung 4). Manche Optimierungssysteme bauen auf Fuzzy Logic auf, wobei zugehörige Regeln dabei anlagenspezifisch erstellt werden müssen. Damit findet allein das Expertenwissen Eingang, eine selbstständige permanente Optimierung findet nicht statt. Durch die permanente Anlagendrift und Modifikation von Anlagenteilen müssen meist auch diese Regeln permanent angepasst oder sogar neu erstellt werden. Mit den neuronalen Netzen des PiT Navigators wird das Knowhow der Anlagenfahrer ebenfalls erfasst, doch die Software lernt selbstständig dazu und optimiert daher auch nach Anlagenänderungen, Prozessänderungen oder während signifikanter Heizwertschwankungen ohne manuellen Eingriff. Darüber hinaus muss die Anlagen-Drift nicht permanent nachgepflegt werden, MuA Lfg. 9

10 7200 Thermische Verfahren Abbildung 4: Feuerleistungsdiagramm der MVA Bonn womit die Abhängigkeit von einzelnen Software- und Prozess-Experten reduziert wird. Der Anlagenfahrer ist allerdings nach wie vor nicht überflüssig, da der PiT Navigator ausschließlich ein Optimierungssystem ist und nur Zustände im Feuerleistungsdiagramm regelt. An- und Abfahrvorgänge werden nach wie vor durch den Anlagenfahrer manuell ausgeführt. Obwohl neuronale Netze keine neue Softwaretechnologie sind, ist ihr Einsatz für die Prozessoptimierung in einigen Industrien noch neu. Zum ersten Mal in den 1970er Jahren in Raffinerien eingesetzt, kamen bereits in den 1980er Jahren die ersten kommerziellen Pakete auf den Markt. Heute ist diese Technologie bei fortschrittlichen Prozessleitsystemen in Raffinerien und in der petrochemischen Industrie Standard Funktionsweise und prinzipielle Reglerstruktur des PiT Navigator Der PiT Navigator besteht aus mehreren Reglerkomponenten (Abbildung 5). Jede dieser Komponenten erhält Signale aus der Prozesskopplung und von den optischen Sensoren. Außerdem werden Prognosen für die Entwicklung des Dampfleistungswertes und des Heizwertes genutzt. Für jede Reglerkomponente wurden mehrere Ziele definiert, die von der jeweiligen Reglerkomponente verfolgt werden. Die Parameter der einzelnen Komponenten werden zum einen durch eingestellte Werte und zum anderen durch selbstlernend optimierte Parameter festgelegt. Die Geschwindigkeit und Intensität der Reglereingriffe wurde zwischen Powitec und der MVA Bonn vereinbart. So darf der PiT Navigator in kurzer Zeit sehr große Stelleingriffe vornehmen (z. B. Verdreifachung der Feeder-Ge- 10

11 Resultate fortschrittlicher Verbrennungsoptimierung 7200 Abbildung 5: Prinzipielle Reglerstruktur des PiT Navigator schwindigkeit bei CO-Spitzen) und kann über die Roste ein sich anpassendes Luftprofil fahren. Der Erfolg des PiT Navigator ist also von den gesetzten Zielen den technischen Möglichkeiten der Anlage und dem erlaubten Maß und Geschwindigkeit der Stelleingriffe abhängig Die Bedienoberflächen des PiT Navigator Anzeigen des PiT Navigator über den Zustand des Systems sind auf drei verschiedenen Komponenten realisiert: Zum einen direkt im Anlagenleitstand und weiterhin auf dem Indicator (Powitec Anzeigeoberfläche, insbesondere für graphische Visualisierung) und dem Phumi (Powitec human machine interface) am Bildschirm des Powitec-Rechners. Alle drei Komponenten ermöglichen auf verschiedene Weise eine Beeinflussung des Navigators. Auf die drei Komponenten und ihre Bedienung wird im Folgenden eingegangen. In Abbildung 6 wird das Zusammenspiel der einzelnen Bedienkomponenten und deren jeweilige Funktion graphisch dargestellt. Im Leitstand wird der PiT Navigator ein- und ausgeschaltet sowie der Sollwert der Dampfleistung eingegeben. Im Phumi werden die Sollwerte für alle weiteren Ziele sowie die Bereiche der Stellgrößen, in denen der PiT Navigator arbeiten darf, eingegeben. Im Indicator werden die Kamerabilder sowie Warnmeldungen der Kameras und der Verlauf wichtiger Prozessgrößen dargestellt. MuA Lfg. 11

12 7200 Thermische Verfahren Abbildung 6: Zusammenarbeit einzelner Komponenten und deren Funktion Im Leitstand integrierte Bedienungselemente Im Leitstand der MVA Bonn kann das Powitec-System zu- oder abgeschaltet werden. Außerdem wird hier der Sollwert für die Dampfleistung eingestellt. Wird das Powitec-System zugeschaltet, übernimmt das System die Regelung sämtlicher Stellgrößen, und ab dem Zeitpunkt der Zuschaltung gelten die durch Powitec gestellten Werte. Handeingaben können zwar weiterhin vorgenommen werden, haben aber keinerlei Einfluss auf die Stellgrößen. Der Dampfleistungs-Sollwert wird durch den Leitstandfahrer vorgegeben. Wird das Powitec-System ausgeschaltet, werden sämtliche Regler auf Handbetrieb geschaltet, da der PiT Navigator meist nur in Zuständen außerhalb des Feuerleistungsdiagramms oder zur An- bzw. Abfahrt der Anlage ausgeschaltet wird und in diesen Fällen nicht sofort auf ein anderes automatisches System umgeschaltet werden soll. 12

13 Resultate fortschrittlicher Verbrennungsoptimierung 7200 Der Phumi Phumi steht für Powitec human machine interface (Mensch-Maschinen- Schnittstelle). Der Phumi ist, wie auch der Indicator, ein auf der Warte auf eigenem Powitec-Monitor ständig laufendes Programm. Der Phumi bietet die Möglichkeit, die eingestellten Grenzen, die Ziel-Prioritäten sowie wichtige Parameter des PiT Navigators für den laufenden Verbrennungsprozess zu ändern. Bei der MVA Bonn ist diese Bedienung auf die Anlagenleitung beschränkt. Der Phumi besteht aus mehreren Registerkarten, welche verschiedene Rubriken zeigen. Der Phumi des PiT Navigators in der MVA Bonn hat einen Schreibschutz. Alle Parameter sind jederzeit sichtbar, können aber nur durch Klicken auf den Button Schreib-Modus und anschließende Eingabe eines Passwortes geändert werden. Jede Änderung eines Parameters wird im Logfile des Phumi dokumentiert. Die erste Registerkarte PiT-Stellgroessen (Abbildung 7) des Phumi dient zur Einstellung des Operationsbereiches des Navigators. Für jede Stellgröße, die der PiT Navigator stellen kann, sind hier ein Minimal- und ein Maximalwert definiert. Der Navigator wird keine Stelleingriffe vornehmen, die die jeweilige Stellgröße über den definierten Bereich bringen würden. Außer dem minimalen Abbildung 7: Registerkarte Stellgrößen MuA Lfg. 13

14 7200 Thermische Verfahren Abbildung 8: Registerkarte Parameter und dem maximalen Wert wird auch der derzeitige Wert der jeweiligen Stellgröße im mittleren Fenster ausgegeben. Der Minimal- oder Maximalwert einer Stellgröße kann in aktiviertem Schreibmodus verändert werden, indem auf die jeweilige Schaltfläche (Button mit Hand) geklickt und anschließend der Wert verändert wird. Diese Veränderung kann über einen Schieberegler oder durch Eingabe der jeweiligen Größe per die Tastatur geschehen. Natürlich erfolgt eine automatische Prüfung des eingegebenen Wertes. Die zweite Registerkarte PiT-Parameter des Phumi (Abbildung 8) dient zur Einstellung der Sollwerte, Ziele und Parameter des PiT Navigators. Durch die in diesem Tab einstellbaren Parameter kann das Verhalten des Navigators maßgeblich beeinflusst werden. Die einzelnen Parameter wirken auf das Verhalten des PiT Navigator wie folgt: O 2 -Sollwert Der O 2 -Sollwert beeinflusst das Verhalten des Navigators in vielfältiger Weise. Ein niedriger O 2 -Sollwert führt dazu, dass ein höheres Abfallbett gefahren wird. Außerdem wird weniger Sekundär- und Primärluft gefahren. 14

15 Resultate fortschrittlicher Verbrennungsoptimierung 7200 Das Primärluftverhältniss zwischen Rost 2 und Rost 3 wird ebenfalls von der Abweichung des O 2 -Sollwertes vom derzeitigen Istwert beeinflusst. Ein niedriger O 2 -Wert führt im Allgemeinen zu weniger Verschleiß der Anlagenbauelemente und größerer Effizienz, aber gleichzeitig auch zu einem höheren Emissionsniveau und zu schlechterem Ausbrand. Primärluftanteile der einzelnen Rostzonen Mit diesen Parametern werden die Basiswerte für die Verteilung der Primärluftmenge auf die einzelnen Roste eingestellt. Die hier eingestellten Werte sind lediglich Basiswerte für die Luftverteilung, die vom PiT Navigator abhängig vom Ausbrand und vom aktuellen O 2 -Wert variiert werden können. Trotzdem hat eine Änderung der Parameter eine Änderung der Luftverteilung zur Folge. Eine schlechte Luftverteilung kann schlechten Ausbrand mit Überschüttung des Rostes oder einen Leerbrand nach sich ziehen. Kennlinie der Primärluft und Sekundärluft Mit diesen Parametern wird die Kennlinie der Primärluft und der Sekundärluft für verschiedene Dampfleistungssollwerte festgelegt. Es wird ein Wert für einen Dampfleistungssollwert von 30 Mg/h und ein Wert für einen Dampfleistungssollwert von 33 Mg/h eingegeben. Die Kennlinie für Dampfleistungssollwerte zwischen 30 und 33 Mg/h sowie zwischen 0 und 30 Mg/h wird linear zwischen den eingegebenen Werten interpoliert. Wird also für 30 Mg/h eine Luftmenge von Nm 3 /h eingegeben, und für 33 Mg/h eine Luftmenge von Nm 3 /h, so würde bei einem Dampfleistungssollwert von 31,5 Mg/h eine Luftmenge von Nm 3 /h und bei einem Sollwert von 20 Mg/h eine Luftmenge von Nm 3 /h gefahren werden. Hier eingestellte Werte sind Basiswerte für die Luftmenge, die vom PiT Navigator abhängig von der Dampfleistungsabweichung, dem Ausbrand und vom aktuellen O 2 -Wert variiert werden können. Trotzdem hat Änderung der Parameter eine unmittelbare Änderung der Luftmenge zur Folge. Gleiches gilt ebenfalls für die Sekundärluftmengen-Kennlinie. Sollwert Temperatur Zone 4 Mit diesen Parametern wird der Sollwert der Temperatur auf Zone 4 eingestellt. Die Temperatur auf Zone 4 ist ein guter Indikator für die Feuerlänge. Es können sowohl Minimal- wie auch Maximaltemperatur eingestellt werden. Außerdem wird die aktuelle Temperatur angezeigt. Befindet sich diese zwischen dem Minimal- und dem Maximalwert, wird keine Reaktion des Navigators erfolgen. Überschreitet die aktuelle Temperatur aber den Maximalwert als Indiz für zu langes Feuer, so wird der Navigator die Zuteilergeschwindigkeit reduzieren und die Roste werden langsamer fahren. Unterschreitet die Temperatur den Minimalwert als Indiz für zu kurzes Feuer, wird die Zuteilergeschwindigkeit erhöht und die Roste werden schneller gefahren. Die Reaktion des Navigators fällt dabei umso stärker aus, je länger die Überschreitung der Grenzen andauert und je größer diese ist. Verhältnis von Zuteiler- zu Rostgeschwindigkeit Dieser Parameter beschreibt das Verhältnis von Zuteilergeschwindigkeit zu durchschnittlicher Rostgeschwindigkeit. Ein Wert von 1.55 bedeutet also, dass der Zuteiler im Durchschnitt 1,55 Mal schneller als die Roste gefahren wird. Dieser Wert beeinflusst im Wesentlichen die Schütthöhe des Abfalls. MuA Lfg. 15

16 7200 Thermische Verfahren Sollwert Druck Zone 1 Der Druck auf Zone 1 ist ein Maß für die Schütthöhe und die Kompaktheit des Abfalls. Der Druck wird berechnet, indem die Differenz des Druckes im Feuerraum und des Druckes der Primärluft unter Zone 1 gebildet wird, und durch die Menge der Primärluft dividiert wird. Je höher oder kompakter der Abfall ist, desto höher ist die Druckdifferenz. Der Navigator reagiert auf eine hohe Druckdifferenz, indem der Zuteiler langsamer gefahren wird. Ist die Druckdifferenz niedriger als der Sollwert, wird der Zuteiler erhöht. Wird der Sollwert für die Druckdifferenz verringert, wird der Navigator also im Durchschnitt eine geringere Abfallhöhe fahren. Sollwert Feuerlänge Die Feuerlänge wird aus dem Bild bestimmt, das von der Powitec-Kamera am Schlackeabwurf aufgenommen wird. Der angezeigte Wert wird berechnet, indem im Bild Helligkeiten festgestellt werden und darauf die wahrscheinlichste Position der Feuerendlinie berechnet wird. Im Phumi kann ein Minimal- und ein Maximalwert für die Feuerlänge angeben werden. Liegt die aktuelle Feuerlänge über dem Maximalwert, so ist das Feuer zu lang. Der Navigator wird darauf hin den Zuteiler reduzieren und die letzten Roste langsamer fahren. Außerdem wird die Luftmenge auf den letzten Rosten erhöht. Ist die Feuerlänge kleiner als der Minimalwert, so wird der Zuteiler erhöht und die Roste werden schneller gefahren. Je stärker die Abweichung von den Sollwerten ist, desto stärker wird die Reaktion des Navigators sein. Dampfleistungs-Sollwert und Dampfleistungs-Prognose Der Dampfleistungs-Sollwert wird direkt im Leitsystem der Warte eingestellt. Die Anzeige im Phumi dient nur zur Visualisierung und kann nicht geändert werden. Neben dem Dampfleistungs-Sollwert wird die aktuelle Dampfleistung angezeigt sowie eine Drei-Minuten-Prognose des Navigators für die Dampfleistung in drei Minuten. Neben den hier aufgeführten Sollwerten und Parametern existieren intern im Powitec-System noch weitere Parameter. Diese können allerdings nicht extern beeinflusst werden, sondern werden von automatischen Optimierungsalgorithmen ständig an den laufenden Verbrennungsprozess angepasst. Der Indicator Im Indicator werden der Status der Powitec-Kameras, verschiedene Kamerabilder sowie unterschiedliche Prozessverläufe dargestellt. Dadurch ist es dem Operator möglich, den Status des Powitec-Systems zu erkennen und Informationen über den laufenden Prozess zu erhalten. Der Indicator ist ebenso wie der Phumi auf dem Powitec-Monitor auf der Warte dargestellt. Der Indicator verfügt über mehrere verschiedene Ansichten die jeweils unterschiedliche Aspekte des Powitec-Systems und des Verbrennungsprozesses darstellen: Statusanzeigen der PiT Multisensoren In der Ansicht Systemstatus wird der Status der drei Powitec-Kameras angezeigt. Zu jeder Kamera existieren farbige Anzeigefelder, die den Status der Lanzenspitzentemperatur, der Gehäusetemperatur, der Luftversorgung, des Luftdrucks und der Luftfilter sowie der Kühlwasserversorgung anzeigen (Ab- 16

17 Resultate fortschrittlicher Verbrennungsoptimierung 7200 Abbildung 9: Statusanzeigen der Sensoren Abbildung 10: Statusanzeigen der Systemparameter MuA Lfg. 17

18 7200 Thermische Verfahren bildung 9). Steigen Gehäusetemperatur oder Lanzenspitzentemperatur der Kamera an und wird eine entsprechende Warnmeldung ausgegeben, ist die Kamera unverzüglich aus dem Ofen zu ziehen. Auf den weiteren Ansichten Alle Ebenen, Ebene 22,5 m, Ebene 13,5 m sowie Ebene 6 m sind die Statusanzeigen für jede einzelne Kamera sowie die einzelnen Kamerabilder dargestellt. Die Kamera auf Ebene 13,5 m verfügt über einen Freischieber, mit dem automatisch Schlacke mechanisch vor der Kamera abgestoßen wird. Statusanzeigen der Systemparameter In der Ansicht Systemparameter wird eine Übersicht über die Entwicklung der wichtigsten Parameter des Powitec-Systems,die im Phumi beeinflusst werden können, dargestellt. Diese dient dazu, sich über die Funktionsweise des PiT Navigators zu informieren und die Entscheidungen des Navigators nachzuvollziehen Optimierungsstrategien PiT Navigator verfolgt verschiedene Strategien: Früherkennung: Detektion von Änderungen im Flammenbild, Dampfleistungs- und Heizwertprognose, wodurch eine zeitnahe Reaktion möglich wird Selbstkalibrierung Konventionelle Regler mit Fuzzy-Logic müssen regelmäßig nachparametriert werden. Dies ist beim PiT Navigator nicht der Fall, da er als selbstlernender Mehrgrößenregler kontinuierlich und selbstständig aktuelle Prozessmodelle erstellt und auf deren Basis die Feuerung regelt. Durch diese Selbstkalibrierung werden sämtliche Veränderungen der Anlage (Verschleiß, Verschlackung und Verschmutzung etc.) und des Abfalls (Heizwert/ Feuchtigkeit, Dichte, etc.) stets erkannt und berücksichtigt. Adaptivität: Es findet eine permanente selbständige Optimierung statt, Erfahrungen werden gespeichert und im Bedarfsfall wieder angewendet. So gehen einmal gelernte Prozesszustände nicht verloren. Breitere Sicht: Durch die Analyse der Sicht in Flamme Rauchgas werden neue Informationen gewonnen und mit relevanten aktuellen und historischen Prozessdaten korreliert. Dadurch entsteht eine sowohl in örtlicher wie zeitlicher Hinsicht breitere Sicht auf den Prozess. Nutzung sämtlicher anlagentechnischen Möglichkeiten: Der PiT Navigator regelt permanent die komplette Aktorik, dies in einer Intensität und feiner Abstufung, wie es dem Menschen nicht möglich wäre. In der Müllverwertungsanlage Bonn werden beide Zuteiler, alle Primär- und Sekundärlüfte sowie alle Rost-Hublängen und -Geschwindigkeiten permanent geregelt. 18

19 Resultate fortschrittlicher Verbrennungsoptimierung 7200 Vergleichmäßigung: Das wesentliche Ziel ist die Prozessvergleichmäßigung zur Reduktion der Frischdampfschwankungen und Emissionen. Hierzu vergleichmäßigt das System die Temperaturen über dem Rost und im ersten Zug. Außerdem wird durch die vollständige Automatisierung eine Vergleichmäßigung über Mitarbeiter-Schichten erzielt. 2.3 Wirkung Der PiT Navigator ist ein multidimensionaler Optimierer, der in Abhängigkeit von den gewichteten Betreiberzielen auch gegenläufige Ziele zu einem gemeinsamen Optimum führen kann. Darüber hinaus wie bereits in anderen Anlagen nachgewiesen wurde (z. B. AVR Arnheim oder EEW Buschhaus) kann bei einer Änderung der Betreiberziele entweder auf Durchsatzerhöhung oder aber auf Effizienzsteigerung einfach umgeschaltet werden. Die im Feuerraum erzeugte Wirkung erstreckt sich im Wesentlichen über fünf Bereiche: 1. Die Temperaturverteilung (vorne/hinten bzw. rechts/links) wird vergleichmäßigt. Durch die zusätzliche Analyse der örtlichen und zeitlichen Temperaturverteilung wird eine Vergleichmäßigung im Betrieb mit dem Optimierungssystem im Verhältnis zum Betrieb ohne das System beobachtet. Temperaturunterschiede von +/ 100 K ohne den Optimierer sind in vielen Anlagen keine Seltenheit. Diese wurden im Betrieb mit dem Optimierer auf +/ 10 K abgesenkt. 2. Sofern gewünscht kann der Dampferzeuger optimiert werden, indem die Durchschnittstemperatur im Feuerraum innerhalb gegebener Grenzen maximiert wird, da die Feuerraumtemperatur durch die Optimierung des Brennstoff-/Luft-Verhältnisses mit Umverteilung der Luftmengen und Gesamt-Lambda-Absenkung steigt. 3. In Abhängigkeit von Abfallqualität und Lastanforderung wird die Temperaturverteilung, basierend auf gelernten Zuständen, über die vertikale Kesselausdehnung derartig optimiert, dass der Wärmeübergang für das jeweilig angeforderte Lastprofil verbessert wird. 4. Der Dampferzeuger-Wirkungsgrad η (η Dampferzeuger = η Dampfenergie/ η Brennstoffenergie bzw. η Dampferzeuger = 1 η Kesselverluste/(η Dampfenergie η Verluste) kann durch durchschnittlich geringeren Brennstoff-/ Luftverbrauch (reduziertes Lambda bzw. reduziertes O 2 ) und durch reduziertes Unverbranntes in der Schlacke verbessert werden. In Abhängigkeit der Betreiberziele ist alternativ eine Durchsatzerhöhung durch Absenkung des Dampferzeugerwirkungsgrades mittels umgekehrtem Einfluss möglich. 5. Eine verbesserte Leistungsdynamik (Geschwindigkeit der Blockanpassung an Laständerungsanforderungen) führt zu einem großen Nutzen bei schnellen Laständerungsanforderungen und wird durch Reduktion der Kesselträgheit über optimierende Regelung des Flammenschwerpunktes erreicht. Hierdurch ergibt sich eine um ein Drittel reduzierte Kesselzeitkonstante. 6. Weitere positive, aber pekuniär schwierig zu bewertende Effekte im Dampferzeuger durch die aktive Flammenregelung sind: MuA Lfg. 19

20 7200 Thermische Verfahren Reduktion der Verschlackungsneigung Sicherstellung des vollständigen Ausbrandes Verbesserung der Kesselwandatmosphäre (Verringerung von CO-Strähnen) Beseitigung von Temperaturschieflagen Reduktion der NO x -Emissionen 2.4 Vorzüge des neuronalen Netzes Die Vorzüge des neuronalen Netz-Ansatzes von Powitec sind also: Er ist modellunabhängig, da neuronale Netze nicht programmiert, sondern trainiert werden. Die Optimierungsaufgabe muss daher nicht durch Regeln oder ein Modell abgebildet werden, was den Input durch den Betreiber minimiert Innerhalb strikter Grenzen lässt sich ein neuronales Netz generalisieren. Daher können damit auch Zustände angesteuert werden, die außerhalb des Bereiches eines rein regelbasierten Systems liegen würden. Neue Optimierungspotenziale lassen sich so erschließen. Powitec s neuronale Netze passen sich selbständig an veränderte Prozessbedingungen an (z. B. Anlagenveränderungen, Veränderungen der Abfallzusammensetzung) und berücksichtigen ebenfalls automatisch neu eingespeiste Daten (z. B. durch neue Sensoren). Mit dem Ausfall einzelner Komponenten wird zwar die Leistung des Netzes reduziert, es fällt aber nicht komplett aus. Die Prädiktion ermöglicht einen Blick in die nähere Zukunft (auf die nächsten zwei bis drei Prozessschritte). Die Optimierung erfolgt rund um die Uhr unter Berücksichtigung der Ziele des Anlagenmanagements. Eine Onlinezeit von 98,2 Prozent über Stunden, die in der L90 in Esbjerg (Dänemark) erzielt wurden, überzeugte die Müllverwertungsanlage Bonn davon. Ein wesentlicher Vorteil dieses sich selbst organisierenden und sich selbst optimierenden Regelungskonzeptes ist dessen inhärente Adaptivität. Diese wird realisiert, indem in zyklischen Abständen ein Training des zu Grunde liegenden Prozessmodelles auf dem aktuellen Datenmaterial wiederholt durchgeführt wird. Das ist möglich, da dieser Vorgang automatisch und damit ohne jeglichen personellen Aufwand abläuft. Um sicher zu stellen, dass ein auf aktuellen Daten neu trainiertes Prozessmodell auch tatsächlich zur Regelung des Prozesses genutzt werden kann, müssen verschiedene Kriterien erfüllt sein. So wird beispielsweise geprüft, ob das aktualisierte Modell auch auf aktuellen Testdaten den realen Prozess besser beschreibt als das bisherige Prozessmodell. Des Weiteren wird der zum Training verwendete Datensatz statistisch untersucht, ob auch das typische Prozessverhalten abgebildet ist und nicht etwa ein Anlagenstillstand. Durch dieses zyklische Nachtrainieren, Prüfen und gegebenenfalls Aktualisieren des neuronalen Prozessmodelles kann zeitvarian- 20

21 Resultate fortschrittlicher Verbrennungsoptimierung 7200 ten Eigenschaften des Verbrennungsprozesses durch Änderung der Brennstoff- Eigenschaften, Verschlackungssituationen usw. automatisch begegnet werden. 2.5 Gründe für die Entscheidung und Vertragsgestaltung Zunächst wurden während einer mehrmonatigen Messstudie vorhandene Potenziale bei der MVA Bonn evaluiert. Auf Basis dieser Evaluierungsstudie bot Powitec den PiT Navigator mit drei Feuerraumsensoren einschließlich Lieferung und Installation sowie einer garantierten Zielerreichung an. Im Vertrag zwischen der Müllverwertungsanlage Bonn und Powitec wurden folgende Garantiewerte vereinbart: Reduktion der Standardabweichung Dampfleistung um 0,1 Mg/h von 1,01 auf 0,9 (im Vergleich zur alten FLR). Die Standardabweichung der Dampfleistung darf maximal 0,75 Mg/h bei einem Sollwert von 32 Mg/h betragen. 94% der Dampfleistungsmesswerte haben eine maximale Sollwertabweichung von 1,5 Mg/h. Diese reduzierte Dampfleistungs-Schwankung sollte ermöglichen, gefahrlos eine Sollwertanhebung auf 33 Mg/h vorzunehmen, ohne die Kesselgrenzen durch Dampfspitzen zu verletzen. Dies machte die Investition auch kommerziell attraktiv, da dadurch sowohl mit erhöhtem Abfalldurchsatz und entsprechen höheren Erträgen als auch mit höheren Erlösen aus der Dampfproduktion zu rechnen ist. Diese Garantie sowie die zuvor geschilderten Vorzüge des PiT Navigator haben die MVA Bonn überzeugt, in diese Technologie zu investieren. Insbesondere die Möglichkeit, eine Feuerleistungsregelung zu erhalten, die nicht kostenintensiv permanent durch eigene oder externe Kräfte angepasst werden muss, barg einiges Einsparungspotential. Wichtiges Kriterium war ebenfalls, dass die bestehende FLR zwar abgelöst würde, dies sowohl im laufenden Betrieb parallel zur bestehenden FLR erfolgen sollte und zusätzlich mit der Powitec-Lösung bei einem möglichen Ausfall der neuen FLR die Möglichkeit besteht, wieder auf das alte System zu wechseln. Die Ergebnisse aus den Powitec-Referenzen waren ebenfalls überzeugend, obwohl bislang lediglich Erfahrung mit Rosten von B & W Vølund, Martin, Alstom, Babcock und Steinmüller, aber keine Referenz auf einem VonRoll Rost vorlagen. Bei den Referenzen überzeugten insbesondere die Ergebnisse aus der E. ON TRV Buschhaus und AVR Arnheim. In Buschhaus wurden auf drei Alstom-Rosten bei einem Durchsatz von je Mg/a eine Durchsatzerhöhung von 7,6% bei gleichzeitiger CO-Emissionsreduktion von 8,3% erzielt. In Arnheim werden auf einem Babcock-Walzenrost je Mg/a durchgesetzt; dort wurde aufgrund einer um ein Drittel reduzierten Dampfleistungsschwankung eine Durchsatzerhöhung von 2,5% bei bis zu 70% reduziertem CO erzielt. MuA Lfg. 21

22 7200 Thermische Verfahren 3.0 Ergebnisse aus der Betriebspraxis Im Folgenden werden drei Zeiträume vorgestellt: 1. Abnahmefahrt im September und Oktober Sollwertanhebung im November Entwicklung der Sollwertanhebung im Dezember Abnahmefahrt Okt./Nov Im Vertrag wurde eine alternierende Abnahmefahrt vereinbart: Erste und dritte Woche mit dem PiT Navigator Zweite und vierte Woche mit dem alten System Während des Abnahmezeitraums Ende September und Anfang Oktober 2008 ergab sich eine Reduktion der Regelabweichung Dampfleistung > 1,5 [Mg/h] % von 12,9% im manuellen Betrieb auf 2,9% mit dem PiT Navigator, also eine um 77% verbesserte Fahrweise bei annähernd gleichem Durchsatz und gleichem Heizwert Abfall. Der Garantiewert von 0,9 Mg/h Standardabweichung Dampfleistung bei einem Sollwert von bei 32 Mg/h wurde im Rahmen dieser Abnahmefahrt mit einem Wert von 0,65 Mg/h deutlich unterschritten. Tabelle 1 zeigt die Ergebnisse der Abnahmefahrt im Detail. Kursiv und fett gesetzt sind die Werte, bei denen der PiT Navigator einen besseren Wert als das alte System erzielte, doppelt unterstrichen sind die Werte, bei denen das alte System besser abgeschnitten hat. Deutlich wird auch, dass sowohl CO- wie auch NO x -Spitzen reduziert wurden. Die entsprechenden Graphen zum Dampfleistungsverlauf zeigen auch optisch eine deutlich stabilere Fahrweise (Abbildung 11). Die graphische Darstellung der Verteilung der Dampfleistungswerte mit und ohne Powitec zeigt ebenfalls deutlich, dass in einem schmaleren Band geregelt wurde und die Anzahl der Werte auf oder um den Sollwert gesteigert wurde (Abbildung 12). Mit dem PiT Navigator liegen also deutlich mehr Messwerte im Bereich des Sollwertes von 32 Mg/h und die Anzahl der Messwerte mit Abweichung wurde wesentlich reduziert. 22

23 Resultate fortschrittlicher Verbrennungsoptimierung 7200 Tabelle 1: Ergebnisse der Abnahmefahrt Altes System Powitec Verbesserung in % Auswertungszeitraum Standardabweichung Dampfleistung [Mg/h] (bei SW = 32 Mg/h) Regelabweichung Dampfleistung > 1,5 Mg/h [%] (bei SW = 32 Mg/h) Mittelwert Dampfleistung [Mg/h] (bei SW = 32 Mg/h) Mittlerer Höchster Dampfleistungswert pro Tag [Mg/h] Mittlerer Niedrigster Dampfleistungswert pro Tag [Mg/h] 2. Woche: Woche: Woche: Woche: ,01 0,65 35,6% 12,9% 2,9% 77,5% 32,04 32,05 35,55 34,60 2,7% 29,23 29,67 1,5% Mittelwert O 2 -Anteil Rauchgas [%] 8,30 8,34 0,5% Mittelwert CO [mg/nm 3 ] 10,46 10,82 3,4% Standardabweichung CO [mg/nm 3 ] 6,15 5,79 5,9% Dauer CO > 50 mg/nm 3 [min] 64,00 36,00 43,8% Mittelwert NOx [mg/nm 3 ] 92,09 92,47 0,4% Standardabweichung NO x [mg/nm 3 ] 17,38 15,47 11,0% Mittelwert SO 2 [mg/nm 3 ] 7,50 10,00 33,3% Standardabweichung SO 2 [mg/nm 3 ] 7,53 7,21 4,3% Mittelwert Abfalldurchsatz [Mg/h] 10,52 10,58 0,6% Mittelwert Heizwert [MJ/kg] 10,24 10,19 Mittelwert Heizwert Mittelwert Abfalldurchsatz 107,72 107,81 0,1% Mittelwert Brennerölverbrauch [l/h] 2,6 2,6 0,0% MuA Lfg. 23

24 7200 Thermische Verfahren Abbildung 11: Ergebnisse der Abnahmefahrt, Dampfleistung mit und ohne PiT Navigator Abbildung 12: Ergebnisse der Abnahmefahrt, Verteilung der Dampfleistung mit und ohne PiT Navigator 3.2 Sollwertanhebung Vom 12. bis zum 26. November 2008 wurden wegen der erheblich stabileren Fahrweise durch die Betriebsleitung eine Sollwertanhebung von 32 auf 33 Mg/h umgesetzt. Dabei reduzierte sich die Regelabweichung Dampfleistung > 1,5 [Mg/h] % noch einmal auf 1,0. 24

25 Resultate fortschrittlicher Verbrennungsoptimierung 7200 Tabelle 2: Altes System, Powitec mit Sollwert 33 Mg/h Messwert Altes System Powitec SW = 33 Mg/h Verbesserung in % Auswertungszeitraum Standardabweichung Dampfleistung [Mg/h] Regelabweichung Dampfleistung > 1,5 Mg/h [%] 1,01 0,55 45,5% 12,9% 1,0% 92,3% Mittelwert Dampfleistung [Mg/h] 32,04 33,03 3,1% Mittelwert O 2 -Anteil Rauchgas [%] 8,30 7,52 9,4% Mittelwert CO [mg/nm 3 ] 10,46 9,88 5,5% Dauer CO > 50 mg/nm 3 [min] 64,00 28,00 56,3% Mittelwert NO x [mg/nm 3 ] 92,09 89,34 3,0% Mittelwert SO 2 [mg/nm 3 ] 7,50 7,31 2,5% Mittelwert Abfalldurchsatz [Mg/h] 10,52 10,84 3,0% Mittelwert Heizwert [GJ/Mg] 10,24 10,18 Mittelwert (Heizwert Abfalldurchsatz) 104,6 107,40 2,7% Mittelwert Brennerölverbrauch [l/h] 2,6 2,01 22,7% Im Ergebnis liegen beim Betrieb mit PiT Navigator deutlich mehr Messwerte im Bereich des Sollwertes von 32 Mg und die Anzahl der Messwerte mit Abweichung wurde wesentlich reduziert. Beim Betrieb mit PiT Navigator und einem erhöhten Sollwert von 33 Mg liegen circa 63% der Messwerte im Bereich von 32,5 33,5 Mg/h. Dies führte zu einer Durchsatzerhöhung von 300 kg/h. Der PiT Navigator erzielte trotz eines um 2,7% erhöhten Durchsatzes (heizwertkorrigiert) eine Emissionsreduktion. Beim Vergleich des Betriebs mit und ohne PiT Navigator (Abbildung 13) bei einem Sollwert von 32 Mg/h zeigt sich, dass beim Betrieb mit PiT Navigator deutlich mehr Dampfleistungs-Messwerte (60%) im Bereich von +/ 0,5 Mg/h um den Sollwert liegen als beim Betrieb ohne PiT Navigator (40%). Nach der Sollwertanhebung auf 33 Mg/h wurde sogar ein noch stabilerer Betrieb erzielt, denn dann lagen 63% der Werte in einem Bereich von +/ 0,5 t/h um den Sollwert. Diese Verbesserung wurde durch das zunehmend gelernte Prozesswissen erzielt. MuA Lfg. 25