Anlagenoptimierung Online-Optimierung von Hybrid-Entsalzungsanlagen Goetz-D. Wolff, Stefan Lauxtermann, Ramesh Kumar Entsalzungsanlagen spielen bei der Deckung des stetig steigenden, dynamischen Bedarfs an Elektrizität und Trinkwasser im Mittleren Osten eine wichtige Rolle. Aufgrund ihrer Flexibilität im Hinblick auf verschiedene Produktionsmöglichkeiten nimmt besonders die Zahl der Hybrid-Entsalzungsanlagen zu. Allerdings sind diese Anlagen recht komplex, denn in ihnen kommen mindestens zwei unterschiedliche Entsalzungsverfahren zum Einsatz. Trotzdem bietet der Anlagenaufbau vielerlei Optimierungsmöglichkeiten. Mit dem raschen Wachstum im Mittleren Osten steigt auch die Notwendigkeit einer grundlegenden Infrastruktur für die Strom- und Trinkwasserversorgung. Hybrid-Entsalzungsanlagen sind äußerst flexibel und spielen hierbei eine wichtige Rolle. Angesichts steigender Brennstoffpreise und schwindender Ressourcen ist eine möglichst optimale Strom- und Trinkwasserproduktion gefordert. Die besondere Herausforderung liegt hierbei in den zahlreichen Möglichkeiten für eine kurz- und langfristige Betriebsplanung. Dieser Artikel beschreibt einen neuen Ansatz zur wirtschaftlichen Optimierung von Entsalzungsanlagen und Kraftwerken auf der Basis verschiedener Online- und Offline-Optimierungspakete von ABB. Als Beispiel für die Wirksamkeit dieser Lösungen dient die erfolgreiche Implementierung in der Fujairah Water and Power Plant (FWPP) in den Vereinigten Arabischen Emiraten. Eine solche Hybrid-Entsalzungsanlage befindet sich 20 km nördlich der Stadt Fujairah am Golf von Oman. Aufgrund des hohen Kostendrucks bedingt durch die Privatisierung sahen sich die Betreiber der Fujairah Water and Power Plant (FWPP) gezwungen, Möglichkeiten zur Optimierung zu suchen, um die Produktionskosten zu senken. Im Jahr 2005 wurden in der Anlage verschiedene Optimierungspakete aus der ABB OPTI- MAX -Anwendungsfamilie 1) installiert. Dieses Leistungsüberwachungs- und Optimierungssystem soll im Folgenden beschrieben werden. Die Anlage in Fujairah Zur Stromerzeugung verfügt die Anlage über vier 106-MW-Gasturbinen (GT) vom Typ General Electric PG9171E mit dazugehörigen Wärmerückgewinnungs- Dampferzeugern sowie zwei Siemens NG90/90-Dampfturbinen (DT) mit 119 MW 1. Die Trinkwassergewinnung erfolgt in fünf MSF-Destillationseinheiten Fußnote 1) Das OPTIMAX -System wird auf Seite 44 dieses Hefts genauer behandelt. 39
nach dem Mehrstufen-Verdampfungsverfahren (Multi-Stage-Flash, MSF) mit einer Kapazität von jeweils 12,5 MIGD 2) (ca. 57.000 m³/tag) sowie einer zweistufigen Umkehrosmoseanlage (auch: Reversosmose, RO) mit einer Kapazität von 37,5 MIGD (knapp 170.500 m³/tag). Insgesamt hat die Anlage eine Bruttoleistung von ca. 660 MW und erzeugt etwa 454.500 m³ Trinkwasser bei einer Umgebungstemperatur von 46 C. Die Wärmerückgewinnungs-Dampferzeuger speisen Hochdruckdampf in eine gemeinsame Sammelleitung. Der Niederdruckdampf für die MSF-Einheiten wird am Austritt der Dampfturbinen entnommen oder über eine Reduzierstation aus dem Hochdruckdampf gewonnen. 1 Aufbau der Anlage in Fujairah 2 Systemstruktur UWEC Lan OPTIMAX Lan GT: 4 x 106 MW Optimierungsbereiche Abgesehen von den Investitionskosten machen die Brennstoffkosten mit etwa 90 % den größten Teil der bleibenden Kosten von Kraftwerks- und Entsalzungsanlagen aus. Folglich lassen sich die größten Einsparungen durch eine Optimierung des Brennstoffverbrauchs erreichen. Zu diesem Zweck wurden die folgenden Tools entwickelt: Einsatzplanung zur eintägigen Vorausplanung und Online-Optimierung der Last Hybridoptimierung ermöglicht die Online-Optimierung und -Planung des Hybridbetriebs Prozessoptimierung einschließlich MSF-Optimierung RO: 37,5 MIGD MSF: 5 x 12,5 MIGD DT: 2 x 119 MW 530 MW Pumpstation: 30 MW Büros der Anlagenmanager und Ingenieure Lebensdauerüberwachung Brennstoffbedarfsmodell / Entsalzungsoptimierung Blockeinsatzplanung OPTIMAX Gateway Datenbankserver Leistungsüberwachung CMMS MAXIMO Leitwarte Meerwasser EDMS LiveLink RO-Optimierung Optimierung der Hilfsgebläse (Re-Engineering der Automatisierungsparameter) Neben der Optimierung des Brennstoffverbrauchs ermöglichen diese Tools eine Verbesserung der Instandhaltung und der Arbeitsabläufe für den gesamten Prozess. Systemaufbau Der modulare Aufbau des in Fujairah eingesetzten Optimierungssystems ist in 2 abgebildet. Echtzeitdaten werden von einem Siemens Teleperm XP-System über einen OPC-Server, ein Siemens Win CC- und ein GE Mark V-System erfasst und in der Langzeit-Datenbank Power Generation Information Manager (PGIM, vormals PlantConnect) von ABB gespeichert. Diese dient dann als gemeinsame Datenquelle für alle Optimierungstools und andere Anwendungen. PGIM fungiert darüber hinaus als Betriebsdatenmanagementsystem (PIMS), das es dem Benutzer ermöglicht, über eine Mensch- Maschine-Schnittstelle (MMS) auf Grafiken, Trendkurven und Berichte zuzugreifen. Kennzahlen wie der Wirkungsgrad der Gasturbinen werden mithilfe eines integrierten Softwaretools ( Technical Calculation ) berechnet. PowerCycle ist ein modellbasiertes Tool von ABB, mit dem das thermodynamische Verhalten einer Anlage unter veränderlichen Umgebungsbedingungen und verschiedenen statischen Betriebsbedingungen präzise simuliert werden kann. In Fujairah wird das PowerCycle- Modell für folgende Aufgaben genutzt: Datenvalidierung zum Abgleich der Online-Messwerte zur Vermeidung von Messfehlern MSF-Optimierung zur Bestimmung optimaler interner Sollwerte für den MSF-Betrieb bei einer bestimmten Last Brennstoffbedarfsmodell zur Berechnung des voraussichtlichen Brennstoffbedarfs entsprechend dem Anlagendesign. Dies wird durch Leistungsmessungen bei der Anlagenübernahme bestätigt. Weitere verwendete Tools sind: PowerFit zur Berechnung optimaler Ablaufpläne. Diese Software wird vorrangig zur eintägigen Vorausplanung verwendet. GE Speedtronic Mark V Siemens Teleperm XP Siemens Win CC Fußnote 2) MIGD = Million imperial gallons per day. 1 MIGD = 4545 m³/tag 40
BoilerLife zur Bestimmung der verbleibenden Lebensdauer wichtiger Kesselkomponenten Optimierungslösung Die in Fujairah realisierte Optimierungslösung umfasst die Aspekte Einsatzplanung Optimierung des Hybridbetriebs MSF-Optimierung Prozessoptimierung Optimierung der Arbeitsprozesse Einsatzplanung Die von Entsalzungs- und Stromerzeugungsanlagen im Laufe eines Tages geforderte Produktionsleistung unterliegt starken Schwankungen. Dies gilt besonders in Regionen mit schwankender Luftfeuchtigkeit und Temperatur, wodurch die Last beeinflusst wird. Das in 3 dargestellte Beispiel einer elektrischen Lastkurve für einen Tag zeigt, dass die Anlage mit 50 bis 80 % ihrer gesamten Nettoleistung betrieben wird. Eine Schwankung um 20 % gilt jedoch als normal. Eine Veränderung der Last von über 150 MW entspricht ungefähr der 1,5-fachen Maximalleistung einer Gasturbine. Der tägliche Wasserbedarf wird der Anlage vorgegeben. Berücksichtigt man die Speicherkapazität der Trinkwassertanks, erhöht dies die Flexibilität der Produktion. Das Ziel eines Einsatzplanungssystems besteht darin, die einzelnen Einheiten einer Anlage so zu kombinieren, dass 3 Elektrische Lastkurve eines Tages für die Fujairah Water and Power Plant (FWPP) Stationsexport [MW] 450,00 400,00 350,00 300,00 250,00 200,00 150,00 100,00 50,00 0,00 Wasser: 66 MIGD Szenario 1 100 %-73 % Lastbereich 00:00:00 00:45:00 01:30:00 02:15:00 03:00:00 03:45:00 04:30:00 05:15:00 08:00:00 08:45:00 07:30:00 08:15:00 09:00:00 09:45:00 10:30:00 11:15:00 12:00:00 12:45:00 13:30:00 14:15:00 15:00:00 15:45:00 18:30:00 17:15:00 18:00:00 18:45:00 19:30:00 20:15:00 21:00:00 21:45:00 22:30:00 23:15:00 bestimmte Lieferanforderungen für Strom und Wasser optimal erfüllt werden. Dazu werden ausgehend von den Anforderungen der Lastverteiler, der Anlagenstruktur, der Brennstoffpreise, der variablen Instandhaltungskosten, der Kosten für Chemikalien, der Umgebungsbedingungen und der Betriebsarten Leistungsberechnungen für die gesamte Anlage und einzelne Einheiten durchgeführt. Das Endergebnis ist ein Plan für einen kostenoptimierten Betrieb der Anlage auf der Basis einer bestimmten Kombination der Gasturbinen, Dampfturbinen sowie der RO- und MSF- Einheiten. Der größte Optimierungsnutzen lässt sich erzielen, indem Gas- und Dampfturbinenbetrieb, Dampfturbinenbetrieb und Bypass- Dampfstrom, MSF- und RO-Betrieb ermittelt wird und die Wasserspeicherkapazitäten genutzt werden. Bei geeigneten Kombinationen bleibt die Anlagenoptimierung zwischen einem und mehreren Tagen gültig. Das Optimierungssoftwarepaket besteht aus vier Komponenten: einer grafischen Benutzeroberfläche (Graphical User Interface, GUI) einem Programmkern, der die GUI, den Optimierer und die Datenbank koordiniert einem Optimierer (CPLEX), der mithilfe der Mixed-Integer-Linear-Programming-Methode das globale Minimum ermittelt einer Oracle-Datenbank zur Speicherung aller Konfigurationen und Ergebnisse. Die Ablaufpläne für alle größeren Anlagenteile werden entweder in Tabellenform oder als Grafik dargestellt. Unter Verwendung spezieller Testlasten und -bedingungen wurde festgestellt, dass sich im Falle der Anlage in Fujairah durch Implementierung der Optimierungssoftware Einsparungen bei den Brennstoffkosten von durchschnittlich 2,7 % realisieren lassen. Die höchsten Einsparungen ergeben sich im Betrieb mit geringer Last. Hier liegt das Einsparungspotenzial bei 6 % und mehr. Optimierung des Hybridbetriebs Bei der Trinkwasseraufbereitungsanlage in Fujairah handelt es sich insofern um 4 Optimierung des Hybridbetriebs 5 Minimalkostenprinzip für eine Multi-Stage-Flash-Anlage (MSF) MSF-Produktionskosten (geschätzt) Kosten pro m³ Destillat Wirtschaftlichster Betriebspunkt 80 85 90 95 100 105 110 115 Kosten für Antibelagmittel Dampferzeugungskosten Gesamtkosten Maximale Soletemperatur 41
eine Hybridanlage, als das Trinkwasser mithilfe von MSF- und RO-Einheiten gewonnen wird. Trinkwasser muss eine vorgeschriebene Qualität aufweisen. Doch beide Prozesse liefern Wasser mit unterschiedlicher Qualität: Das Wasser aus den MSF-Einheiten ist nahezu entmineralisiert, während die RO-Einheiten Trinkwasser von hoher Qualität liefern. Deshalb muss das Gemisch aus beiden Prozessen noch in der Trinkwasseranlage mineralisiert werden, um die von den Gesundheitsbehörden vorgeschriebenen Mineralienwerte zu erfüllen. Die RO-Anlage in Fujairah ist eine moderne von Degremont 3) gebaute Anlage. Sie besteht aus zwei Linien mit je zwei Membranbündeln 4). Der Salzgehalt liegt nach der ersten Stufe bei ca. 500 ppm und nach der zweiten bei 15 ppm. Ein Teil des Wassers wird an der zweiten Stufe vorbeigeleitet und mit dem Wasser am Ausgang der zweiten Stufe vermischt. Das von der RO- Anlage vor der Optimierung gewonnene Wasser erreicht einen Salzgehalt von 80 100 ppm. Das Ziel der Optimierung besteht darin, die Mindestanzahl an Membranbündeln in der zweiten Stufe zu ermitteln, mit der die vorgegebene Gesamtwasserqualität garantiert werden kann. Dies führt wiederum zu folgenden Einsparungen: Senkung des Stromverbrauchs für die Pumpen in der zweiten Stufe um 0,5 MW pro Pumpe Senkung der Instandhaltungskosten für die Membranbündel in der zweiten Stufe Senkung der Kosten für Chemikalien in der Trinkwasseranlage ein Membranbündel der zweiten Stufe verwendet wird (Verhältnis 1:2), zwei Membranbündel in der zweiten Stufe außer Betrieb genommen werden. Zusätzlich steht ein Offline-Tool zur Modellierung verschiedener Szenarien zur Verfügung. Die durch die Optimierung des Hybridbetriebs in der Anlage in Fujairah erzielten Einsparungen belaufen sich auf 0,6 % der gesamten Brennstoffkosten. MSF-Optimierung Die Betriebskosten der MSF-Anlage setzen sich vorrangig aus den Dampferzeugungskosten, den Kosten für die chemischen Zusätze und dem Stromverbrauch der Anlage zusammen. Die Aufgabe des MSF-Optimierers ist es, die Summe dieser Kosten durch Berechnung neuer Sollwerte für eine konstante Trinkwassergewinnung zu minimieren. Eine typische Kostenkurve für verschiedene maximale Soletemperaturen (Top Brine Temperature, TBT) ist in 5 dargestellt. Bei einer höheren TBT sinken die Dampferzeugungskosten pro m 3 Destillat, da das Leistungsverhältnis bei konstanter Trinkwasserproduktion steigt. Die Kosten für Chemikalien (z. B. für Antibelagmittel) pro m 3 Destillat steigen mit der TBT, da es bei höheren Temperaturen zu einer stärkeren Belagbildung kommt. Der Optimierer berechnet optimierte Werte für die folgenden Parameter, da bei einer bestimmten Last verschiedene Kombinationen dieser Parameter verwendet werden können: Maximale Soletemperatur (TBT) Solerückfluss Meerwasser-Rücklauftemperatur (nur im Winter) Meerwasser-Rücklauf Ergänzungswasserzufluss Zusätzlich wird ein Prozesssimulationspaket eingesetzt, das in der Lage ist, die MSF-Einheiten bis auf Stufenebene herunter zu modellieren. Ein Modell der MSF-Linie 6 wird konfiguriert, indem berechnete optimale Sollwerte für die oben genannten Parameter mit anderen Komponenten wie einem Soleerhitzer und Pumpen kombiniert werden. Die vom Optimierungspaket ermittelten Sollwerte werden vom Bedienpersonal zur Regelung der MSF-Anlage eingesetzt. In der Anlage stehen ein Online- und ein Offline-Optimierungstool zu Verfügung. Das Online-Tool berechnet alle 10 Minuten optimierte Einstellungen für eine vorgegebene Produktionsmenge an destilliertem Wasser, während das Offline-Tool zu Planungszwecken verwendet wird. Mithilfe des MSF-Optimierungstools konnten unter verschiedenen Betriebsbedingungen bis zu 1,78 % der Gesamtproduktionskosten für die MSF-Anlage eingespart werden. Prozessoptimierung Um eine ungewöhnliche Absenkung der Effizienz erkennen zu können, ist es wichtig, die Leistung der verschiedenen Anlagenbereiche zu überwachen 7. Im Folgenden wird das Prinzip der Leis- Außerdem steigt durch die Verwendung weniger Membranbündel in der zweiten Stufe die Wasserproduktion der RO-Anlage, da in jeder zweiten Stufe ca. 10 % des Wassers verloren gehen 4 zeigt ein Diagramm zur Online- Optimierung des Hybridbetriebs. Bei der dargestellten Produktion können im Vergleich zum Standardverfahren, bei dem für zwei im Betrieb befindliche Membranbündel der ersten Stufe jeweils 6 Modell einer Multi-Stage-Flush-Anlage (MSF) MSF-Entsalzung in Fujairah Wärmerückgewinnung Wärmeabgabe Fußnoten 3) http://www.degremont.ca (März 2007) 4) Ein Bündel von Membranen für die RO-Entsalzung, das separat zu- und abgeschaltet werden kann. 42
7 FWPP-Prozessübersicht 8 Wärmebilanzdiagramm mit berechneten Wärmeströmen tungsberechnung kurz beschrieben und die Erkennung ungünstiger Parameter anhand eines Beispiels skizziert. In der FWPP werden für alle wichtigen Anlagenteile, d. h. Gasturbinen, Wärmerückgewinnungs-Dampferzeuger, Dampfturbinen, Speisewasserpumpen, MSF-Entsalzungsanlage, Meerwasser- Ansaugpumpen, RO-Entsalzungsanlage und Hochdruckpumpen, Leistungsberechnungen durchgeführt. Mithilfe des in 8 dargestellten Bildschirms und den entsprechenden Trendkurven kann die Leistung der gesamten Anlage sowie einzelner Bereiche analysiert werden. Vergleiche zwischen der tatsächlichen und der erwarteten Leistung in Verbindung mit den Kennwerten ermöglichen eine ebenso einfache wie effektive Analyse. In einem bestimmten Fall wurde mithilfe des Leistungsüberwachungs- und Optimierungssystems eine niedrige Leistung des Abhitzekessels registriert. Eine Überprüfung ergab, dass das Problem beim Hilfsgebläse lag. Das Hilfsgebläse wird normalerweise nur eingeschaltet, wenn die durchschnittliche Abgastemperatur hinter den Zusatzbrennern einen bestimmten Regelsollwert überschreitet. In der FWPP betrug dieser Wert 800 C, obwohl die Auslegungskriterien einen Wert von 840 C vorsahen. Dieser Unterschied von 40 C führte zu einer Senkung der Kesseleffizienz bei laufendem Gebläse um 1,7 %. Außerdem schalteten sich die Gebläse nicht wieder ab, da der untere Temperatursollwert von 700 C zu niedrig war (die Temperatur fiel nur selten unter diesen Wert). Nach der Implementierung des Softwarepakets wurde die Betriebsweise geändert, wodurch eine Steigerung der Effizienz erreicht wurde. Optimierung der Arbeitsprozesse Neben der Prozess- und Betriebsoptimierung ermöglicht das Optimierungssystem auch die Optimierung und Verbesserung verschiedener Arbeitsabläufe, z. B.: die automatische Erstellung von Protokollen und Berichten das spart Arbeitszeit und verhindert manuelle Eingabefehler den automatischen Datenaustausch mit anderen Systemen, z. B. dem computergestützten Instandhaltungs- Managementsystem (Computerized Maintenance Management System, CMMS) In Fujairah wurden über 100 Protokolle und Berichte automatisiert, wodurch täglich schätzungsweise 18 Arbeitsstunden eingespart werden konnten. Einfach zu bedienende Tools zur Konfiguration verschiedener Arten von Berichten wurden von ABB mithilfe der Microsoft Excel-Software im System entwickelt. Fazit Die Installation eines Leistungsüberwachungs- und Optimierungssystems in der kombinierten Entsalzungs- und Stromerzeugungsanlage in Fujairah hat die Wirksamkeit moderner Optimierungsverfahren in Entsalzungsanlagen und Kraftwerken bewiesen. Die meisten der beschriebenen Optimierungsverfahren können auch in nichthybriden Stromerzeugungs- und Entsalzungsanlagen eingesetzt werden. Insgesamt wurden in Fujairah über 4 % des gesamten Brennstoffverbrauchs eingespart. Zusätzliche Einsparungen ergeben sich aus der Optimierung der Arbeitsprozesse. Dies unterstreicht das Potenzial einer solchen Optimierung für andere hybride oder nichthybride Anlagen. Goetz-D. Wolff Stefan Lauxtermann ABB AG Minden, Deutschland goetz.d.wolff@de.abb.com stefan.lauxtermann@de.abb.com Ramesh Kumar ABB AG Abu Dhabi, VAE ramesh.kumar@uae.abb.com Literaturhinweise [1] Ludwig, H., Stummeyer, K.: FICHTNER, Potabilisation Nachbehandlung von Destillat und Permeat aus Meerwasserentsalzungsanlagen, Mai 2004 [2] Glade H., Meyer, J.-H., Will, S.: Strategies for optimization of the Reverse Osmosis Plant in Fujairah, Juni 2005 [3] Vorschriften der VAE zur Wasserqualität, Revision 2, Januar 2004 [4] Huesgen, N.: On technical and market aspects of water desalination, Dezember 2002 43