Erhöhung der Fernwärmeleistung der Abfallverbrennungsanlage Asdonkshof durch Einbau eines dritten Wärmetauschers
Hans-Georg Kellermann
1. Anlagentechnik MHKW ...284
1.1. Fernwärmeauskopplung ...284
1.2. Fernwärmeerzeugung ...285
1.2.1. Vertragliche Situation ...287
1.2.2. Betriebliche Situation ...288
2. Umbau der Ferwärmeauskopplung ...290
2.1. Verfahrensauswahl ...290
2.1.1. Variante A, Ertüchtigung ...290
2.1.2. Variante B, zusätzlicher Wärmetauscher...291
2.2. Verfahrensauslegung und Systementscheidung ...292
2.3. Realisierung ...296
2.4. Erste Betriebserfahrungen ...297
3. Fazit und Bewertung ...298 Das AEZ Asdonkshof in Kamp-Lintfort ist ein in Deutschland nahezu einzigartiges Abfallentsorgungszentrum, an dem unterschiedliche Abfallentsorgungsanlagen/
-einrichtungen an einem zentralen Standort zusammengefasst sind (Bild 1).
In direkter Nachbarschaft zu dem Müllheizkraftwerk mit i.M. etwa 250.000-260.000 t Jahresdurchsatz sind eine Bioabfall-Kompostierung (etwa 40.000 t Jahreskapazität), eine moderne Aufbereitungs- anlage für Sperr- und Ge- werbemüll (rund 58.000 t Jahreskapazität) und eine Aufbereitungsanlage für Rostaschen aus der Müll- verbrennung (rund 80.000 t Jahreskapazität) errichtet worden. Eine Deponie der Klasse II mit etwa 11 Mil- lionen m³ Ablagerungsvo- lumen ergänzt die Behand- lungsanlagen.
Ferner ist ein öffentlich zugänglicher Wertstoffhof mit einer qualifizierten Annahme- stelle für gefährliche Abfälle auf dem Anlagengelände integriert.
Das Abfallentsorgungszentrum wurde mit allen Einrichtungen im Jahre 1997 in Betrieb genommen.
Eigentümer und Betreiber ist die Kreis Weseler Abfallgesellschaft mbH & Co KG.
1. Anlagentechnik MHKW
Das MHKW besteht aus 2 identisch aufgebauten Verfahrenslinien (Bild 2). Nach einer Gleichstrom-Feuerung mit Walzenrost ist ein klassischer 4-Zug Kessel angeordnet.
Die thermische Leistung beträgt maximal jeweils 49,5 MW. Dem Genehmigungs- und Errichtungszeitraum (1994-1997) entsprechend ist die anschließende Rauchgas- reinigungstechnik sehr komplex und weist eine Vielzahl von Reinigungsstufen auf:
1. E-Filter (3-feldrig), Sprühabsorber System Niro-Atomizer, 2. E-Filter (3-feldrig), 2-stufige Nasswäsche mit vorgeschalteter Sättigerstufe, SCR Kombi-Katalysator mit rekuperativer Rauchgasaufheizung und Dampf-Gas-Vorwärmern, Aktivkohle-Reaktor System Hugo-Petersen und einem 200 m hohen Schornstein.
1 4 2 3 5 6 7
Entlade-
halle Abfallbunker Output:
1 Schlacke 2 Prozessdampf 3 Fernwärme 4 Staub 5 Strom 6 Salze 7 Gips 8 Altkoks 9 Gereinigtes Abgas Nass-
wäsche Verbrennung und
EnergieerzeugungElektrofilter I Turbine Sprüh-
trocknerElektro-
filter II Kombi-
katalysator Aktivkoks- katalysator Kamin
Bild 2: Anlagenschnitt des MHKW im AEZ Asdonkshof
Beide Kesselanlagen erzeugen in Summe im Volllastbetrieb bis zu 110 t/h Dampf. Der Dampfdruck liegt bei für Müllverbrennungsanlagen üblichen 40 bar, die Dampftem- peratur bei 400 °C. Der Dampf wird einer Sammelschiene zugeführt, von der eine Trocknungsanlage für Klärschlämme sowie DaGaVos zur Rauchgaswiederaufheizung bzw. Primärluftvorwärmung versorgt werden. Die hauptsächliche Dampfmenge wird einer Entnahme-Kondensationsturbine zugeführt.
1.1. Fernwärmeauskopplung
Bereits bei der Errichtung der Anlage wurde die Auskopplung von Wärme für stand- ortnahe Fernwärmenetze grundsätzlich berücksichtigt.
Die Turbine wurde daher mit einer geregelten Entnahme und ungeregelten Anzapfung für eine gekoppelte Kraft-Wärme-Erzeugung (KWK) ausgerüstet (Bild 3). Allerdings waren die Netzparameter bei der Bestellung der Turbine noch nicht endgültig definiert, da zu diesem Zeitpunkt die Fernwärme-Auskopplungsverträge noch nicht geschlossen waren. Es wurden daher vom beauftragten Planer für die Turbinenauslegung zunächst erfahrungsbasierte Werte angesetzt.
Die Entnahme der Turbine kann geregelt zwischen 3 und 4 bar (abs) auf die Nieder- druck-Dampfschiene erfolgen, der Anzapfdruck liegt lastabhängig bei etwa 0,3 bis 0,6 bar (abs). Die Turbine ist für eine Vollverstromung im Kondensationsbetrieb mit 0,1 bar (abs) Abdampfdruck ausgelegt.
Bild 3:
Schnittzeichnung Entnahme-/Kon- densationsturbine mit Anzapfung
Entnahme Anzapfung
Am Standort ist lediglich nur eine Turbine installiert. So sind für den Ausfall der Tur- bine entsprechende Umformstationen zur Besicherung des Volllast-Umleitbetriebes auf den Luftkondensator sowie 2 unterschiedlich dimensionierte Umform-Stationen zur Versorgung des ND-Dampfnetzes vorhanden.
1.2. Fernwärmeerzeugung
Das ursprüngliche Konzept sah bereits eine energetisch optimierte, 2-stufige Fernwär- meaufheizung vor. Der 1. Wärmetauscher ist als Vakuum-System ausgelegt und wird über die Anzapfung mit Dampf versorgt. Ein vorgeschalteter, klein dimensionierter Anfahrkondensator dient bei der Inbetriebnahme aus dem kalten Zustand zur Evaku- ierung des Systems und wird mit einer geringen Menge an ND-Dampf beaufschlagt.
Ferner wird diesem ersten Wärmetauscher das Kondensat aus dem folgenden, 2. Wär- metauscher über eine Regelarmatur zugeführt (Bild 4).
Die Energieversorgung des 2. Wärmetauschers erfolgt primärseitig über das ND- Dampfnetz, d.h. im Wesentlichen über die Turbinenentnahme. Bei Turbinenausfall steht eine entsprechend dimensioniert Dampf-Umformstation zur Versorgung der ND-Schiene und damit auch als Absicherung der Fernwärmeerzeugung zur Verfügung.
Beide Wärmetauscher sind baugleich als liegende Rohrbündel-Wärmetauscher mit einfacher Umlenkung ausgeführt (Bild 5). Dabei ist für den WT 2 keine nennenswerte Kondensatunterkühlung angedacht gewesen, während für den WT1 im oberen Bereich die Dampfkondensationen erfolgt, während die unteren Rohrreihen im Kondensat eingetaucht sind und so eine Kondensatkühlung bewirken.
Einspritzung
DN 1100 DN 700
WT 1 WT 2
eventuelle
Erweiterung eventuelle
Erweiterung
Konden- satpumpe eventuelle
Erweiterung
zum ND-VW
mit Speisewasser
Einhausung zum Speisewasserbehälter
Um- wälz- pumpe
Bild 4: Schema der Fernwärme-Auskopplung im AEZ Asdonkshof vor dem Umbau
Bild 5: Schnittzeichnung Rohrbündeltauscher
Die Kondensatfüllstände in den Wärmetauschern werden geregelt. Im 2. Wärmetau- scher erfolgt die Füllstandsregelung über das Ablaufregelventil zum 1. Wärmetau- scher und so, dass der Füllstand unterhalb der Rohre liegt. Der Kondensatpegel im 1. Wärmetauscher wird über Pumpen mit Überström-/Rückschlagventil bzw. ein nachgeschaltetes Regelventil eingestellt. Das rückgeführte Kondensat wird direkt über Entgasungs-Brausen in den Speisewasser-Behälter geleitet.
Sekundärseitig wird die Fernwärmeleistung über Durchflussmenge und Austrittstem- peratur geregelt. Die Umwälzung erfolgt über 2 parallel betriebene, frequenzgeregelte Pumpen. Eine dritte Pumpe steht, nur mittels Regelarmatur in der Durchflussmenge re- gelbar, als Standby-Reserve zur Verfügung. Für das Umwälzpumpensystem ist die KWA verantwortlich, die Regelanforderungen werden jedoch vom externen Netzbetreiber als einzuhaltende Druckregelvorgaben eingestellt. Die jeweils sich einstellenden Umwälz- mengen sind je nach herrschenden Netzbedingungen zum Teil recht unterschiedlich.
Als weitere externe und im Wesentlichen von der Außentemperatur abhängige Vorgabe wird vom Netzbetreiber eine einzustellende Vorlauftemperatur angefordert. Dies wird in der Art realisiert, dass zwischen dem ersten und dem zweiten Wärmetauscher im sekundärseitigen Netz ein 3-Wege-Mischer eingebracht ist, der den Durchfluss und Bypass des 2. Wärmetauschers regelt und somit die sich hinter der Rückvermischung der beiden Teilströme einstellende Vorlauftemperatur einstellen kann.
Die sich hieraus ergebenden Anforderungen an Absicherungs- und Druckhaltesystemen werden an dieser Stelle nicht näher erläutert.
1.2.1. Vertragliche Situation Die KWA hat mit dem Netzbetreiber einen langfristigen Liefervertrag. In diesem Vertrag sind neben den betriebswirtschaftlichen Regelungen die technischen Rah- menbedingungen festgelegt.
Tabelle 1: Erzeugungsanteile bei verschiedenen Leistungen gemäß Angabe Netzbetreiber
Leistung Bis 25 MW Bis 30 MW Bis 35 MW Bis 40 MW Erzeugungsanteil 88 % 93 % 97 % 98,5 %
Bild 6:
Versorgungsnetz Fernwärme Legende
Abfallentsorgungs- zentrum
Heizwerke Haupttrasse Versorgungsgebiete
So besteht in der Regel die Lieferverpflichtung über eine Fernwärmeleistung von bis zu 25 MW. Dies sollte gemäß Lastprognosen für eine Abdeckung von etwa 88 % der erforderlichen Energiemenge zur Versorgung der zurzeit angeschlossenen Fernwärme- netze Kamp-Lintfort und Neukirchen-Vluyn reichen. Etwaig darüber hinaus gehende Mengen deckt der Netzbetreiber derzeit über eigene, fossil befeuerte Heizkwerke ab.
Gleiches gilt für die Besicherung der Fernwärmeerzeugung im Fall der Nichtverfüg- barkeit des MHKWs.
Mit dem Netzbetreiber konnte über die ersten Betriebs-Jahre zunächst keine für die KWA betriebswirtschaftlich sinnvolle Erweiterungs-Option vertraglich vereinbart werden.
1.2.2. Betriebliche Situation
In den ersten Betriebsjahren gab es keine nennenswerten Probleme mit der installierten Anlagentechnik. Im Gegenteil: Die in den Wärmetauschern installierten Heizflächenre- serven schienen in Verbindung mit den regelbaren Prozessdampfbedingungen faktisch auch eine höhere Leistungsauskopplung zu ermöglichen. So wurden versuchsweise Leistungen bis 30 MW mit der vorhandenen Technik gefahren.
Nachteilig für den Gesamtprozess aus energetischer Sicht war jedoch seit Beginn der Netzversorgung, dass die Rücklauftemperaturen aus dem Netz, wie im Bild 7 zu sehen, oberhalb von 60 °C liegen und insbesondere auch im bedarfshohen Winter noch stark ansteigen. Trotz regelmäßiger Diskussion mit dem Netzbetreiber ließ und lässt sich diese nachteilige Situation nur sehr bedingt verbessern.
55 50 60 65 70 75 80
Temperatur
°C
Monat / Jahr 40
45
Juni 12 Juli 12 August 12
September 12Oktober 12November 12Dezember 12Januar 13 Februar 13 März 13 April 13 Mai 13
Rücklauftemperaturen Heizperiode 12/13
Bild 7: Rücklauftemperaturen aus Fernwärmenetz
Für die Anlagentechnik bedeutete dies, dass bei hohen Auskopplungsleistungen die Wärmeleistung im Wesentlichen durch Zufuhr von Dampf aus der ND-Schiene (Ent- nahme) erbracht werden muss.
Die bei hoher Entnahmeleistung im Turbinenprozess absinkenden Anzapfdrücke sorgten für eine nochmalige Verschärfung der Situation. Letztlich wird die Nutzung von Anzapfdampf im Wärmetauscher 1 für diese Betriebsfälle dann auch nicht mehr möglich.
In Folge ergab sich für hohe Wärmeleistungen faktisch der Fall, dass die gesamte Wärmemenge aus der ND-Schiene über den Wärmetauscher 2 zu entnehmen war und das hier anfallende Kondensat über das Expansionsventil zum Wärmetauscher 1 zur weiteren Energieausnutzung geleitet wurde. Wie bereits erwähnt, waren die Flächenre- serven der Wärmetauscher auch bei dieser Leistung scheinbar ausreichend. Erste, aber geringfügige Betriebsprobleme ergaben sich dann im Jahre 2001. Das Expansionsventil in der Überleitung vom WT2 zum WT1 sowie der nachfolgende Rohrleitungsteil zeigten massive Auswaschungen. Dies konnte zunächst durch einfache Reparaturmaßnahmen behoben werden. Allerdings trat der Fehler nach entsprechender Betriebszeit zyklisch erneut auf.
Schwerwiegender waren jedoch die ersten Rohrschäden im Rohrbündel des Wärme- tauschers 1 im Jahre 2010 (Bild 8). Dies war in so fern betrieblich von hoher Relevanz, da durch den Einbruch von sekundärseitigem Fernwärmewasser in die primäre Kon- densatrückführung zum Speisewasserbehälter eine umfangreiche Kontamination des gesamten Wasser-Dampf-Kreislaufes des MHKWs erfolgte.
Bild 8: Rohrschaden Wärmetauscher 1
Das Rohrbündel des Wärmetauschers war auf Grund der durchgehenden Verschweißung des Rohrbodens nicht einfach ziehbar. Dadurch erforderte die Schadensfeststellung bereits erhebliche Aufwendungen. Nur über endoskopische sowie begleitende Wirbelstromuntersu- chungen konnte der aufgetretene Scha- densort detektiert werden. Hierzu muss man anmerken, dass durch die Untersu- chungsschwierigkeiten zunächst eine kor- rosionsbedingte Leckage vermutet wurde.
Der Betrieb wurde nach entsprechendem Stopfen der defekten Rohrbündel wieder uneingeschränkt aufgenommen.
Erst nach erneutem und ähnlich verlaufendem Schadenseintritt wurde der sachliche Zusammenhang zur Systemüberlastung bei hohen Fernwärmeleistungen gezogen.
Zwar ist im Zuströmbereich des Kondensates von WT2 im Wärmetauscher 1 ein Prall-/
verteillblech vorgesehen, jedoch ist dies – entgegen ursprünglicher Annahmen – nicht in der Lage, die Rohrreihen bei entsprechend hohen Volumenströmen und hohen Rückverdampfungsraten ausreichend zu schützen.
Im Grunde ergab sich somit die gleiche Schadensursache, wie für das Expansionsventil bzw. die nachfolgende Rohrleitung.
In Folge musste die Fernwärme-Abgabeleistung konsequent auf etwa 25 MW begrenzt werden.
Zwar reichte dies vertragsgemäß aus, jedoch war – unterstützt durch die in den ver- gangenen Jahren stark ansteigenden Kosten für die Primärenergie-Beschaffung – auch der Wunsch des Netzbetreibers gewachsen, mehr als 25 MW seitens des MHKW be- ziehen zu können. In so fern konnte mit dem Netzbetreiber eine Vertragsergänzung mit besseren Konditionen für die Energieauskopplung verhandelt werden, die eine Erweiterungsinvestition für uns als Betreiber interessant machte. Natürlich war dabei seitens aller Beteiligten auch der Gedanke an umweltökologisch sinnvollen Effekti- vitätssteigerungen und damit verbundenem direkten Umweltvorteil eine zusätzliche Triebfeder.
2. Umbau der Ferwärmeauskopplung 2.1. Verfahrensauswahl
Für die Überarbeitung der Fernwärme-Auskopplung wurden zwei unterschiedliche Ansätze ins Auge gefasst:
• Ertüchtigung des vorhandenen Systems
(mit gesicherter Auskopplung bis zu etwa 30 MW)
• Erweiterung mittels zusätzlichem Wärmetauscher und Entkopplung der Wärmetauscher
2.1.1. Variante A, Ertüchtigung
Erster Gedanke bei der vorliegenden Sachlage war natürlich, die vorhandenen Wär- metauscher wieder in Stand zu setzen und dabei die erkannten Problembereiche auszumerzen. Konkret wurde die größere Dimensionierung der Überstromleitung von WT2 zu WT1 einschließlich der Optimierung des Expansionsventiles sowie die Überarbeitung der Einströmsituation im WT1 betrachtet.
Hinsichtlich der Bestandssysteme mussten dabei natürlich die vorgegebenen Randbe- dingungen berücksichtigt werden.
ND-Dampf 3,6 - 4 bar
135,9 -139,7 ˚C A 0NAD20
AC001
A 0NAD10 AC001 Entspannungs-
gefäß Anzapfdampf
Kondenat 0,3 - 0,4 bar 69,1 - 75,9 ˚C
Fernwärme 133 ˚C
Vorlauf 65 ˚C
Bild 9:
Ertüchtigungsvariante mit zusätz- lichem Entspanner
Eine neue Überstromleitung hätte bei den realen Bedingungen für etwa 30 MW FW- Leistung eine erhebliche Vergrößerung der Nennweite erfordert, um für das 2-Phasen- Gemisch im Ableitungsbereich ausreichend dimensioniert zu sein. Als zuverlässigere Lösung wurde allerdings der Einbau eines eigenen Entspanners mit der Trennung von Wasser- und Dampfphase angesehen (Bild 9).
Das Expansionsventil wäre komplett zu erneuern gewesen, wobei statt der bisherigen geraden Durchgangsform eine Eckventil-Ausführung als bessere (betriebssicherere) Variante vorgesehen wurde. Bei jeder dieser Teillösung wäre auch der Aufwand für die Modifikationen am Mantel des Wärmetauschers 1 zur Anbindung der geänderten Leitungen hinzuzurechnen gewesen.
Insgesamt mussten hier nach Einholung von Budgetangeboten ein Aufwand von bis zu 200.000 EUR veranschlagt werden, wobei die zur Erlangung einer hohen Betriebssi- cherheit wünschenswerte Sanierung des Wärmetauschers 1 noch gar nicht eingerechnet war. Da das System vollverschweißt ausgeführt war, wären auch hier für das Ziehen und reparieren der Rohrbündel erhebliche Kosten anzunehmen gewesen.
2.1.2. Variante B, zusätzlicher Wärmetauscher Leitgedanke für den Einbau eines zusätzlichen Wärmetauschers war, die Leistungsfä- higkeit des Systems zu erhöhen, die Betriebssicherheit zu verbessern und nach Mög- lichkeit den Ausnutzungsgrad der Anzapfung und damit auch den Wirkungsgrad des Gesamtsystems zu erhöhen. Und das selbstverständlich auch zu geringst möglichen Investitionskosten.
Um den Anspruch an Betriebssicherheit und verbesserte Nutzungsmöglichkeit des Anzapfdampfes zu realisieren stand fest, dass die Primärseite der Wärmetauscher 1 und 2 komplett zu entkoppeln waren. Eine negative Rückkopplung durch die sich im Mischsystem des WT1 bei hoher Leistung einstellenden Druck- und Temperaturver- hältnisse könnte dann sicher vermieden und erreicht werden, dass die Nutzungsop- tion von Anzapfdampf sich unabhängig von der im Wärmetauscher 2 abgeforderten Leistung ergibt. Der Wärmetauscher 1 kann damit jederzeit lediglich in Abhängigkeit von den betrieblich nicht ohne weiteres beeinflussbaren Systembedingungen (Rück- lauftemperatur Fernwärmenetz bzw. Anzapfdruck Turbine) in Betrieb genommen oder abgeschaltet werden.
Ferner ist mit diesem Lösungsansatz eine Erhöhung der Betriebssicherheit einher- gehend. Kleinere Leckagen am Wärmetauscher 1 führen nicht zur Einschränkung in der Wärmeversorgung, da bei Umfahrung des WT 1 über den Wärmetauscher 2 und über die Regelmöglichkeit der ND-Schiene eine jederzeit ausreichende Leistung zur Verfügung gestellt werden kann. Auch die bei Leckagen auftretenden Kontaminatio- nen des Wasser-Dampf-Systems wären leichter einzukreisen und einzudämmen. Aus den vorhergehenden Schadensereignissen war dies für uns ein wesentlicher Punkt, zudem trotz erfolgreicher Druckproben, durchgeführter Wirbelstrommessungen und Endoskopien zur Schadensfeststellung eine latente Unsicherheit über den Zustand der Verrohrung im WT1 bestand.
Bei Schäden am Wärmetauscher 2 ließe sich mit dem WT1 und getrennter Fahrweise für bestimmte Betriebszustände ebenfalls noch eine, wenn auch wesentlich eingeschränkte Fernwärmeauskopplung realisieren. Zur Erhöhung der auskoppelbaren Leistung musste allerdings noch ein weiterer Wärmetauscher vorgesehen werden. Verfahrenstechnisch sinnvoll hierfür war nur die Nutzung der Kondensatwärme aus WT2. Als Untervari- ante wurden für dieses Konzept sollte der Einbau des WT im Hauptstrom nach WT1 oder aber die Variante im Bypass-Strom zu WT2 betrachtet werden (Bild 9 und 10).
Mit jede dieser Schaltungsvarianten sollte es möglich sein, die alten Pumpen, die nur
ND-Dampf 3,6 - 4 bar
135,9 -139,7 ˚C A 0NAD20
AC001
A 0NAD10 AC001 Anzapfdampf
Kondensat
Fernwärme 133 ˚C
Vorlauf 65 ˚C Kondensat
< 110 ˚C
eine beschränkte Kondensattemperatur zuließen, weiter zu verwenden. Die Fördermen- gen in Verbindung mit dem erhöhten Vorlaufdruck waren für die mit der Leistungsstei- gerung einhergehenden größeren Kondensatmengen ausreichend. In Folge ergab sich pumpenseitig lediglich die Notwendigkeit zur Neuinstallation einer kleineren Pumpe für die Kondensatrückführung aus WT1 erforderlich. Auf eine Redundanz wurde hier auf Grund der geringeren Priorität des WT1-Betriebes verzichtet.
2.2. Verfahrensauslegung und Systementscheidung
Für beide der Untervarianten zu Variante B entscheidend war die korrekte Auslegung des zusätzlichen Wärmetauschers. Die Durchflussmenge auf der Heizseite (Kondensat aus WT2) ist abhängig von der Leistungsabnahme des Wärmenetzes und der Leis- tungsabgabe im WT1.
Bild 9:
Schematische Darstellung Ein- bauvariante Wärmetauscher im Nebenstrom
ND-Dampf 3,6 - 4 bar
135,9 -139,7 ˚C A 0NAD20
AC001
A 0NAD10 AC001 Anzapfdampf
Kondensat
Fernwärme 133 ˚C
Vorlauf 65 ˚C Kondensat
< 110 ˚C
Bild 10:
Schematische Darstellung Ein- bauvariant Wärmetauscher im Hauptstrom
Ferner kann sich die Kondensattemperatur in Abhängigkeit von den eingestellten Dampfdrücken auf der ND-Schiene ändern.
Die Durchflussmenge auf der Kühlseite (Fernwärme-Wasser) ist abhängig von der Umwälzmenge insgesamt (Vorgabe durch Druckschlechtpunkt des Netzbetreibers), bei der Untervariante 2 auch von der Stellung des vorgeschalteten 3-Wege-Mischers, die wiederum in Anhängigkeit von der vom Netzbetreiber vorgegebenen Vorlauftemperatur des Netzes geregelt wird. Die Eintrittstemperatur ist ebenfalls variabel und hängt von den Rücklauftemperaturen des Netzes sowie der Funktion des Wärmetauschers 1 ab.
Somit ergab sich bezüglich der Auslegungsgrößen sowohl für die Heizseite, als auch für die Kühlseite eine sehr große Bandbreite.
Leider standen aus dem Betrieb mangels geeigneter Messpunkte keine entsprechen- den Daten zur Verfügung. Aus diesem Grund wurde die wärmetechnische Situation in einem Programm nachmodelliert und so die Randbedingungen für die Auslegung des Wärmetauschers iterativ berechnet (Bild 12).
Kondensat WT2
m in t/h 42,24
p in bar 3,6
t in °C 139,00
H in kJ/h 25.131.582,1 h in kJ/kg
cp in kJ/kgK
584,92 4,28
Kondensat nach PWT
m in t/h 42,24
p in bar 3,6
t in °C 89,84
h in kJ/kg 384,5344841 H in kJ/h
cp in kJ/kgK
16.243.940,75 4,28 Bypass nach PWT
m in t/h 177,23849
p in bar 5
t in °C 90,1247805 376,721582 cp in kJ/kgK
66.789.565 4,18
Leistung
L in MW 30
L in MW 30
Kondensat gesamt
m in t/h 49,61
Kondensat WT1
m in t/h 7,37
t in °C 78,13
H in kJ/h 2405,57 326,58 h in kJ/kg
4,18
Heizwasser VL
m in t/h 500
p in bar 6
t in °C 70
H in kJ/h 146.300.000 cp in kJ/kgK 4,18
Heizwasser RL
m in t/h 500
p in bar 5
t berechnet 121,87408 Differenz 0,000
m Bypass 177,2384918
Dämpfung 100
t in °C 121,6746411 H in kJ/h 254.300.000 cp in kJ/kgK 4,18
Bypass
m in t/h 177,23849
p in bar 5,5
t in °C 78,13
h in kJ/kg 326,58 H in kJ/h
cp in kJ/kgK
57.882.221,18 4,18 Heizwasser nach WT2 m in t/h 322,761515
p in bar 5
t in °C 139,00
H in kJ/h 187.530.895 cp in kJ/kgK 4,18
Entnahmedampf
m in t/h 42,42
p in bar 2,73
t in °C 139,00
h in kJ/kg 2.539 H in kJ/h
cp in kJ/kgK
107.255.317 2,01
Anzapfdampf
m in t/h 7,37
p in bar 0,32
t in °C 78,13
h in kJ/kg 2.633
H in kJ/h cp in kJ/kgK
19.394.655,91 4,18 Heizwasser nach WT 1
m in t/h 500
p in bar 5,5
t in °C 78,13
H in kJ/h 163.289.084 cp in kJ/kgK 4,18 Heizwasser nach WT 1
m in t/h 322,761513
t in °C 78,13
H in kJ/h cp in kJ/kgK
105.406.863 4,18
WT2
WT1
PWT H in kJ/h h in kJ/kg
cp in kJ/kgK
Bild 12: Fernwärmeauskopplung AEZ
Bild 13a: Umbaumaßnahmen, dargestellt in Schnittzeichnung und Draufsicht
Kondensat- kühler Speisewasser- behälter Kondensat EintrittAustritt KondensatEintritt Fernwärme By-Pass
By-Pass Austritt nach Fernwärme
Entlüftung Heizwärme- tauscher 2
Motorschieber Heizwärme- tauscher 1 Kondensat- kühler
Kondensatrückführung vor Wärmetauscher 2 Hochdruck Inline Pumpe Fernwärme Kondensatpumpen
Bild 13b: Umbaumaßnahmen, dargestellt in Schnittzeichnung und Draufsicht
Speisewasser- behälter Heizwärme- tauscher 2
Heizwärme- tauscher 1 Durchfluß- messung
Die Ergebnisse ergaben differierende Mengenströme und Temperaturen (Tabelle 2).
Tabelle 2: Auslegungsparameter zusätzlicher Wärmetauscher
Lastfall Thermische Kondensatmenge Fernwärmemenge Fernwärmemenge Zulauf-
Leistung von WT2 gesamt Bypass temperatur
MW m³/h m³/h m³/h Fernwärme
Schwachlast 5 3-6 100-200 55-175 75-80
Mittlere Last 15 14-19 250-400 105-290 65-75
Vollast 25 37-42 325-575 60-290 60-75
Spitzenlast 30 45-51 400-575 80-270 60-70
Zur Auswahl des geeigneten Wärmetauschers wurde anhand dieser Randparameter sowie einer Vorgabe für die Grädigkeit von 5 K und einem maximalen fernwärmes- eitigen Druckverlust von 0,5 bar eine Marktrecherche durchgeführt. Als Ergebnis konnte festgehalten werden, dass Plattenwärmetauscher an dieser Stelle den durchaus differierenden Eingangsbedingungen gerecht werden und auch das beste Preis-/Leis- tungsverhältnis aufweisen.
Zur Entscheidungsabsicherung, welche der beiden Varianten – Ertüchtigung oder Umbau – zur Ausführung gelangen sollte, wurde zusätzlich das Ingenieurbüro AMR- engineering (Essen) eingeschaltet, dass die wärmetechnische Modellierung beider Untervarianten noch einmal mit eigenen Programmen nachvollzog sowie für beide Varianten eigenständige Kostenrechnungen erstellte. Die Vorab-Berechnungen der KWA konnten auch bei dieser detaillierteren Betrachtung voll bestätigt werden. Unter Berücksichtigung der Vorab-Kalkulation und der für die Umsetzung der Maßnahme jeweils erforderliche Ausfallzeit ergaben sich insgesamt klare Vorteile für die Erweite- rungsvariante in der Bypass-Anordnung, so dass das Ingenieurbüro auch den Auftrag für die Erstellung des entsprechenden Leistungsverzeichnisses für die Umbaumaßnah- men erhielt. Der Wärmetauscher und die zusätzlich erforderliche Kondensatpumpe wurde von der KWA in Eigenleistung beschafft.
2.3. Realisierung
Die Realsierung der Maßnahme erfolgte bautechnisch in 2 Schritten. In einer ersten, kurzen Phase wurden alle Abzweige sowie alle zusätzlichen Armaturen und Messstut- zen im Bestandssystem eingebracht, so dass eine unmittelbare Wiederinbetriebnahme möglich war. Offene Anschlüsse zum geplanten neuen System wurden mit Schiebern abgeschottet. Für diese Maßnahme wurde eine ohnehin geplanter Revisionszeitraum im September 2011 vor der Heizperiode genutzt, so dass sich äußerst geringe Ausfall- kosten ergaben. Die neue Anlagentechnik wurde dann parallel zum normalen Anla- genbetrieb errichtet (Bild 13). In dieser Zeit wurden auch alle Anpassungsarbeiten in der Elektro-, Regelungs- und Leittechnik in Eigenleistung erbracht. Auf Grund der kompakten Bauform des Plattenwärmetauschers (Bild 14) war der vorhandene Raum auch ausreichend und es mussten diesbezüglich keine bautechnischen Klimmzüge unternommen werden.
Für den eigentlichen Umschluss und die Inbetriebnahme war dann lediglich ein Still- stand von knapp 2 Tagen erforderlich. So konnte die neue Anlagentechnik vor Beginn der Heizperiode im August 2012 in Betrieb genommen werden.
Erfreulich bei der Realisierung war auch, dass in Verbindung mit den durchgeführten Eigenleistungen am Ende der budgetierte Investitionsrahmen eingehalten bzw. sogar unterschritten werden konnte.
2.4. Erste Betriebserfahrungen
Die Anlagentechnik (Bild 16) funktionierte auf Anhieb ohne Probleme und es waren im Nachgang lediglich kleine Optimierungen in der Regelungstechnik erforderlich. Aus Bild 15 ist zu entnehmen, dass für die Heizperiode 2012/13 schon entsprechend hohe Leistungen, in Spitzen und versuchsweise bis zu 35 MW, realisiert werden konnten.
Bild 14:
Neu installierter Plattenwärme- tauscher
10 5 0 15 20 2530 3540
Wärmemenge MW th
Monat / Jahr Umbau
12 Jan Feb
12 Mär
12 Apr
12 Mai
12 Jun
12 Jul 12
Aug 12
Sep 12
Okt 12
Nov 12
Dez 12
Jan 13
Feb 13
Mar 13
Apr 13
Bild 15:
Stündliche Wärmeabgabe vor/
nach Umbau
Ferner ließ sich auch in der recht kurzen Betriebszeit bereits der betriebstechnische Vorteil zur separaten Nutzung des mit Anzapfdampf beaufschlagten Wärmetauschers 1 beobachten Die Betriebszeit der Anzapfung konnte im Vergleich zu vergangenen Jahren deutlich verlängert werden.
3. Fazit und Bewertung
Die Fernwärmeauskopplung des AEZ Asdonkshof sollte in Zusammenhang mit Sanierungsbedürfnissen überarbeitet und nach Möglichkeit verbessert werden. Die netzspezifischen vertraglichen und finanziellen Randbedingungen ließen allerdings Leistungserweiterungen nur in sehr engen Grenzen zu.
Durch ein verfahrens- und betriebstechnisch optimiertes Konzept unter Nutzung aller vorhandenen Komponenten und Einbau eines zusätzlichen Plattenwärmetauschers konnte sowohl eine Leistungssteigerung als auch eine Steigerung der Betriebssicherheit erreicht werden.
Bild 16: Leitsystem-Bild nach dem Umbau
Abnahme Rlg Aktiv
Fernwärmenetz Cel
Cel
Cel
Cel Cel
bar SOLLW. VORWAHL
Diff T Vlf>Max
1=Ka-Lintf 2=Gestfeld Pd Ka-Lintf
Pd Gestfeld SW Druck SW Temp D=Beide (wie vorher)
FWA-VL
FWA-RL
% N
%
%
Fernwärme-Abgabe
Begrenzung Cel
MW th
MW th bar
bar m3/h
bar
Cel
mbar m
%
K
m Heizwärme- Tauscher 2
Kondens- Kühler
Heizwärme- Tauscher 1
Heizvorwärmer
Heizungs- pumpen Kurve variabel
Fernwärme Bilanz
Bild 17: Monatliche Ist-Wärmemenge oberhalb 25 MW vor/nach Umbau
1.500 2.000 2.500
pro Monat abgegebene
Wärmemenge oberhalb einer Leistung von 25 MW
0 500 1.000
Jan. 11 Feb. 11
Mrz. 11 Apr. 11Mai. 11
Jun. 11 Jul. 11
Aug. 11Sep. 11 Okt. 11
Nov. 11 Dez. 11
Jan. 12 Feb. 12
Mrz. 12 Apr. 12Mai. 12
Jun. 12 Jul. 12
Aug. 12Sep. 12 Okt. 12
Nov. 12 Dez. 12
Jan. 13 Feb. 13
Mrz. 13 Apr. 13Mai. 13
Jun. 13 Jul. 13
Aug. 13Sep. 13 Okt. 13
Anhand der vorhandenen Betriebserfahrungen bedeutet die Potentialsteigerung von 25 auf über 30 MW für durchschnittliche Heizjahre eine höhere Wärmeauskopplung von etwa 5.000 bis 6.000 MWh (Bild 17). Diese Werte können durchaus in kälteren Jahren auf über 10.000 MWh ansteigen.
In Bezug auf die für Betreiber von MHKW wichtigen R1-Kennzahlen sind mit der Erhöhung von Auskopplungsleistung, der Verfügbarkeit und der Nutzbarkeit der An- zapfung ebenfalls Verbesserungen zu verzeichnen. Diese sind zwar insgesamt durch andere Effekte (z.B. Turbinenrevision) überlagert und sind real nicht sofort erkennbar.
Rein rechnerisch ergibt sich jedoch für das AEZ Asdonkshof ein Vorteil von etwa 0,005 in durchschnittlichen Jahren unter ansonsten gleichen Randbedingungen. Bei längeren oder kälteren Heizperioden kann dies auch entsprechend eskalieren.
Für den Netzbetreiber und damit letztlich die Umwelt ergibt sich durch die entspre- chende Einsparung von Primärenergie ein noch deutlicher Vorteil. Hier darf man bei Ansatz eines für durchschnittliche Heizjahre substituierbaren Potentiales von 5.000 MWh/a und mittleren Kesselwirkungsgraden von 70 % (bezogen auf Hu) für ölgefeuerte Heizwerke von mehr als rund 700.000 l Heizöl ausgehen.
Damit lässt sich hier als Fazit der Maßnahme ein überaus positives Ergebnis für den Netzbetreiber und nicht zuletzt für die Umwelt feststellen. Leider werden solche Maß- nahmen allerdings nicht gefördert.
Die Deutsche Bibliothek – CIP-Einheitsaufnahme Energie aus Abfall – Band 11
Karl J. Thomé-Kozmiensky, Michael Beckmann.
– Neuruppin: TK Verlag Karl Thomé-Kozmiensky, 2014 ISBN 978-3-944310-06-0
ISBN 978-3-944310-06-0 TK Verlag Karl Thomé-Kozmiensky
Copyright: Professor Dr.-Ing. habil. Dr. h. c. Karl J. Thomé-Kozmiensky Alle Rechte vorbehalten
Verlag: TK Verlag Karl Thomé-Kozmiensky • Neuruppin 2014
Redaktion und Lektorat: Professor Dr.-Ing. habil. Dr. h. c. Karl J. Thomé-Kozmiensky, Dr.-Ing. Stephanie Thiel, M.Sc. Elisabeth Thomé-Kozmiensky
Erfassung und Layout: Ginette Teske, Fabian Thiel, Cordula Müller, Ina Böhme, Janin Burbott
Druck: Mediengruppe Universal Grafische Betriebe München GmbH, München
Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der Übersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oder der Vervielfältigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur aus- zugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielfältigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutschland vom 9. September 1965 in der jeweils geltenden Fassung zulässig. Sie ist grundsätzlich vergütungspflichtig. Zuwiderhand- lungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechtsgesetzes.
Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürfen.
Sollte in diesem Werk direkt oder indirekt auf Gesetze, Vorschriften oder Richtlinien, z.B. DIN, VDI, VDE, VGB Bezug genommen oder aus ihnen zitiert worden sein, so kann der Verlag keine Gewähr für Richtigkeit, Vollständigkeit oder Aktualität übernehmen. Es empfiehlt sich, gegebenenfalls für die eigenen Arbeiten die vollständigen Vorschriften oder Richtlinien in der jeweils gültigen Fassung hinzuzuziehen.
