5 Beschreibung der Anlagen
5.6 Biogasanlage Kupferzell – Mikrogasturbine
5.6.1 Messtechnische Einbindung
5.6.1.1 Messungen des Brenngasvolumenstroms und Brenngaszustandes
Der Volumenstrom wird über das Wirkdruckverfahren ermittelt. Hierbei wird der aktuelle Volumenstrom
V& aus dem Differenzdruck Δp, den das Medium an einer Normblende erzeugt, sowie der Dichte ρ
des Mediums und konstanten Geometriewerten k der Normblende berechnet. Der normierte Volumenstrom V&N lässt sich unter Einbeziehung des Gasdrucks und der Gastemperatur ermitteln.
ρ k p
V& = ⋅ Δ [1]
T p
T V p V
N N
N ⋅
⋅ ⋅
= &
& [2]
Um die Dichte ρ zu berechnen muss neben dem Gasdruck p und der Gastemperatur T auch die Gaszusammensetzung cCH4 bekannt sein.
(
4)
2 4
4 CH
m CO CH
m
CH 1 c
T R
p c M
T R
p
M ⋅ −
⋅ + ⋅
⋅ ⋅
= ⋅
ρ [3]
Der Norm-Methanertrag V&N,CH4 berechnet wie folgt:
N CH CH
N c V
V& , 4 = 4⋅ & [4]
MCO2 = Molare Masse /CO2 = 16,04 g/mol MCH4 = Molare Masse /CH4 = 44,0099 g/mol p = Gasdruck /Pa
pN = Normdruck /pN = 1013 hPa T = Gastemperatur /K
TN = Normtemperatur /TN = 273,15 K Rm = Gaskonstante /Rm = 8,314 J/(mol K) cCH4 = Methangehalt /Vol.%
Die Normblende (McCrometer; Typ V-Cone) wurde unmittelbar nach den beiden Wärmetauschern und der dazugehörigen physikalischen Gasentwässerung in die Gasleitung eingesetzt. An der Messblende wird der
Beide Druckleitungen führen zum Differenzdruck-Meßumformer (Foxboro; Typ IDP10). Im Differenzdruck-Messumformer wird die Differenz der beiden Drücke ermittelt und der resultierende Differenzdruck in ein elektrisches Signal (4 – 20 mA) umgewandelt, welches von einem externen Datenlogger (HP; Typ Agilent 34970A) gespeichert wird.
Die Volumenstrommessung erfolgt kontinuierlich. Die Normblende sowie der Messumformer waren bereits in der Anlage Kupferzell installiert. Allerdings war der Differenzdruck-Messumformer unterhalb der Messblende angeordnet, wodurch sich etwas Wasserdampf aus dem Rohgas an den Messmembranen des Differenzdruck-Messumformers sammelte und abgelagert hatte und die Messung somit verfälschte.
Bild 5.27 Absolutdrucktransmitter
Durch Positionierung des Differenzdruck-Messumformers oberhalb der Messblende konnte bewirkt werden, dass sich der Wasserdampf des Gases nicht mehr an den Membranen sammelt sondern in Form von Wasser zurück in die Gasleitung fließt. Es gab seitdem keine Ablagerungen mehr auf den Messmembranen.
Die kontinuierliche Messung des Gasdruckes erfolgt über einen Absolutdrucktransmitter mit einem Messbereich von 0 bis 10 bar. Der Absolutdrucktransmitter gehört ebenfalls zur in-stallierten Anlagentechnik und ist vor der physikalischen Entwässerung angeordnet. Die Ausgangsspannung des Geräts beträgt 0 – 10 V und wird im voreingestellten Messzyklus mit dem externen Datenlogger HP Agilent 34970A gespeichert.
Die Temperatur wurde mit einem Thermoelement Typ K direkt an der physikalischen Gasentwässerung gemessen. Um einen optimalen Wärmeübergang zu gewährleisten wurde der Fühler mit einem Spezialkleber unter der Rohrisolierung auf die Gasleitung geklebt und zusätzlich Wärmeleitpaste aufgetragen. Die kontinuierlich zur Verfügung stehenden Temperaturdaten wurden mit einem separaten Datenlogger (Testo; Typ 175) aufgezeichnet.
Zur Messung der Gaszusammensetzung wurde der Gas-Analysator SSM 6000 /6/ eingesetzt (siehe 4.2). Da dieses Messgerät diskontinuierliche Messungen durchführt, wurde zusätzlich das bereits in der Anlage Kupferzell installierte Messgerät (Dräger; Typ Polytron IR EX) an den externen Datenlogger HP Agilent 34970A angeschlossen.
Das Dräger–Messgerät zur Messung des Methangehaltes erzeugt in einem Infrarotstrahler breitbandig modulierte Strahlung, welche über Spiegel umgelenkt und somit dreimal durch das Messgas geleitet wird. Die Anteile von Kohlenwasserstoffen im Messgas führen zu einer Adsorption der Strahlung bei der Messwellenlänge und damit zu einer Abnahme des Messdetektorsignals, wodurch der Gehalt an Methan im Gas ermittelt wird. Das Messgerät befindet sich an einer druckgedrosselten Stichleitung unmittelbar vor den Mikrogasturbinen.
Bild 5.28 Dräger IR-Messgerät
5.6.1.2 Leistungsmessung Wärme
Die thermische Leistung der beiden Mikrogasturbinen wird über die Stoffströme im Biogas und im Abgas ermittelt. Die Abgasstoffströme werden mit dem Abgasanalysegerät 350 XL der Firma Testo gemessen (siehe 4.6). Der Abgaswärmestrom
Q&ab wird über folgende Formeln ermittelt:
(
Abgas u)
Abgas Abgas
m p
ab c n
Q& = , , *& *ϑ −ϑ [5]
Die Wärmekapazitäten der einzelnen Stoffe werden nach Gleichung 6 und 7 mit ihren Molanteilen multipliziert und addiert, um die mittlere Wärmkapazität des Abgases bei Abgastemperatur und bei Umgebungstemperatur zu bestimmen.
( )
=∑ ( ( ) )
i
Abgas i p i Abgas
m
p y c
c , ϑ * , ϑ [6]
( )
=∑ ( ( ) )
i
u i p i u
m
p y c
c , ϑ * , ϑ [7]
Bild 5.29 Abgasanalysegerät Testo 350XL
Dabei werden die Molanteile bzw. Volumenanteile wie folgt berechnet:
L y y
n
y n CH B CO B
Abgas Abgas CO Abgas
CO +
= +
= 1
, ,
, ,
2 4
2
2 [8]
L y n
y n CH B
Abgas Abgas O H Abgas O
H = = +
1
*
2 ,
, ,
4 2
2 [9]
Diese Mittelwerte wiederum werden über die Abgastemperatur und die Umgebungstemperatur gemittelt.
( ) ( )
( )
u Abgas
u u m p Abgas Abgas
m p Abgas m p
c c c
ϑ ϑ
ϑ ϑ ϑ
ϑ
−
= , * − , *
,
, [10]
Der Brennstoff-Stoffstrom errechnet sich wie folgt:
B O
B CH O
B
Abgas n
y y n y
L
n& & )*&
21 , 0
* 1 2
(
* ) 1 (
2 4
2 ,
− + +
= +
= [11]
Q&ab = Abgaswärmestrom / kW
Abgas m
cp, , = Gemittelte Wärmekapazität des Stoffgemischs / kJ/kmolK
Abgas
ϑ = Abgastemperatur /K
ϑu = Umgebungstemperatur /K
(
Abgas)
m
cp, ϑ = mittlere Wärmkapazität des Abgases bei Abgastemperatur / kJ/kmolK
( )
u mcp, ϑ = mittlere Wärmkapazität des Abgases bei Umgebungstemperatur / kJ/kmolK
Abgas
yCO2, = CO2-Anteil im Abgas / mol/molAbgas
Abgas O
yH ,
2 = H2O-Anteil im Abgas / mol/molAbgas
O2
y = O2-Anteil im Abgas / mol/molAbgas
B
yCH ,
4 = CH4-Anteil im Biogas / mol/molBiogas
B
yCO ,
2 = CO2-Anteil im Biogas / mol/molBiogas
λ = Lambda Bild 5.30 Abgasmesssonde
5.6.1.3 Leistungsmessung Strom
Bild 5.31 Zangenamperemeter an einer Stromader der Turbine
Die Leistungsmessung in Kupferzell erfolgte mit Hilfe von Zangenamperemetern (Voltcraft, Typ AC-200). Die Zangen werden wie in Bild 5.31 um die zu messende Stromader geklemmt. Dabei bildet die geschlossene Zange einen Eisenkern, der zu messende Leiter die Primärwicklung und die in der Zange installierte Spule die Sekundärwicklung. Der Eisenkern wird durch den Strom im Leiter magnetisiert und erzeugt somit in der Sekundärwicklung eine Spannung, die im Verhältnis 1 mV = 1 A proportional zum Leiterstrom ist. Die Messspannung wird vom Datenlogger HP Agilent 34970A erfasst und im eingestellten Messzyklus gespeichert.
Zur Leistungsberechnung muss die Netzspannung ebenfalls mit einer Stromzange im Schaltschrank des Moduls erfasst werden. Die Berechnung der Leistung erfolgt nach Gleichung [12]:
ϕ
⋅
⋅
⋅
= 3 U I cos
Pel [12]
5.6.1.4 Datenspeicher
Zur Datenspeicherung wurde der Datenlogger HP Agilent 34970A verwendet. An den Datenlogger können bis zu 120 analoge Eingangskanäle angeschlossen und einzeln konfiguriert werden.
Die maximale Speicherkapazität beträgt 50.000 Einzelwerte. Über eine RS-232 – Schnittstelle können die Daten auf einen Computer übertragen und weiter verarbeitet werden. Das Messintervall ist auf 5 Minuten eingestellt. Somit ist es notwendig, spätestens alle 21 Tage die gespeicherten Messwerte auszulesen und den internen Speicher des Datenloggers zu leeren.
Bild 5.32 Datenlogger HP Agilent 34970A
Folgende Messgeräte sind an den Datenlogger HP Agilent 34970A angeschlossen:
1) Methangehalt Biogas: Anschluss an Dräger Polytron IR EX 2) Druck Biogas: Anschluss an Absolutdrucktransmitter
3) Differenzdruck Messblende: Anschluss an Differenzdruck-Meßumformer Foxboro IDP10 4) Stromerzeugung Turbine 1: Anschluss an Stromzange
5) Stromerzeugung Turbine 2: Anschluss an Stromzange 6) Netzspannung: Anschluss an Stromzange 7) Stromverbrauch Gesamtanlage: Anschluss an Stromzange 8) Stromverbrauch Kompressor: Anschluss an Stromzange
Die Aufzeichnung der Biogastemperatur ist mit dem separaten Datenlogger Testo 175 durchgeführt worden.
Die Messwerte der Abgasstoffströme können im Abgasanalysegerät Testo 350 XL intern gespeichert werden.
5.6.1.5 Umgebungsbedingungen
Die Wetterdaten für die Berechnungen wurden freundlicherweise von Herrn Zarling zur Verfügung gestellt, der eine Wetterstation in Kupferzell betreibt (www.kupferzell-wetter.de).