Prozessdampf: Druckregelgüte vorab virtuell sichergestellt

Technik

Nach nur 18 Monaten Bauzeit bestand das neue GuD-Kraftwerk eines Papierherstellers in Plattling die Abnahmetests. Virtuelle Tests des Regelungskonzepts trugen dazu bei, die Inbetriebnahme in Rekordzeit zu realisieren.

27. Mai 2011

Das neue Kraftwerk sollte nicht nur die Energieversorgungskosten für die Papierproduktion nachhaltig reduzieren, sondern vor allem die Prozessdampfversorgung sichern. Dazu hatte das Projektteam der E.on Engineering GmbH ein neuartiges Blockregelungskonzept entworfen, das bei höchst wirtschaftlichem Betrieb die vom Kunden geforderte Dampfdruckregelgüte und Versorgungssicherheit garantieren sollte.

Die Frage, ob mit diesem Automatisierungskonzept die Regelgüte auch tatsächlich eingehalten werden kann, war mit konventionellen Planungs- und Auslegungsmethoden nicht sicher zu beantworten. Die Kraftwerksbauer standen daher vor dem Risiko, ihr Regelungskonzept während der Inbetriebnahme nachbessern zu müssen. Das hätte mehrtägige Unterbrechungen der Inbetriebnahme zur Folge haben können.

Hier halfen die Simulations- und Automatisierungsexperten der Leipziger IFE-Systems GmbH weiter. Sie testeten das Blockregelungskonzept mit Hilfe dynamischer Simulationen schon vorab. »Dabei stellte uns die Nachbildung des dynamischen Verhaltens der Papiermaschinen vor besondere Herausforderungen. Mit diesem Problem waren wir bei anderen Simulationen – etwa für Kohle- und Biomassekraftwerke – noch nie konfrontiert«, erklärt Dr. Daniel Buchenhorst, der das Projekt bei IFE leitete. Sein Entwicklerteam programmierte die Komponentenmodelle in kurzer Zeit und sicherte so den Projektfortschritt ab. Dabei entstanden zahlreiche Detaillösungen und ein umfassendes Reglersetup für die Inbetriebnahme.

Papiermaschinen Modelliert

Für den Aufbau des Simulationsmodells griffen die Ingenieure von IFE auf ihr Simulationsprogramm Intelligon zurück. Sein Vorteil ist, dass damit verschiedene Szenarien – etwa An- und Abfahrvorgänge sowie Bauteilausfälle – in sehr hoher Geschwindigkeit vorausberechnet werden können. Simulationen sind selbst bei sehr komplexen Modellen in Echtzeit oder im ›Zeitraffer‹ möglich. Zu jedem Zeitpunkt stehen dabei sämtliche relevanten Prozesswerte zur Verfügung und lassen Rückschlüsse auf das zu erwartende Anlagenverhalten zu. Im Fall Plattling war das Verhalten bei ausgeprägten Schwankungen im Dampfbedarf, bei Papierabrissen an den Papiermaschinen sowie bei einem Turbinenschnellschluss von Interesse. Im Vordergrund der simulationsbasierten Untersuchungen stand die Funktionalität des Blockregelungskonzepts. Folglich mussten nicht nur die wesentlichen Prozesskomponenten und Aggregate, sondern auch die dazugehörigen Regelungssysteme in der Simulation abgebildet werden.

Das von IFE entwickelte Modell umfasst neben Gasturbine, Abhitzekessel, und dem Prozessdampfsystem mit Papiermaschinen, Dampfturbine und dem luftgekühlten Kondensator auch die 20 wichtigsten Regelsysteme. Dabei konnten die Ingenieure weitgehend auf vorparametrierte Komponenten der Intelligon-Bauteilbibliothek zurückgreifen. In wenigen Fällen – beispielsweise zur Modellierung des dynamischen Verhaltens der Papiermaschinen – entstanden erforderliche Elemente neu.

Aus den Modelldetails wurden in enger Zusammenarbeit mit E.on Engineering Funktionspläne entwickelt. Dabei zeigten sich erneut die Vorteile simulationsbasierten Engineerings: So konnten verschiedene Varianten miteinander verglichen und schnell geeignete Detaillösungen gefunden werden. Marc-Hendrik Prabucki, Teamleiter Systemtechnik bei E.on Engineering: »Die Inbetriebnahme des Prozessdampfdruckreglers zeigte, dass Reglersystem und Reglersetup nahezu perfekt funktionierten«. Die ersten Betriebserfahrungen sind ebenfalls positiv. »Die Dampfdruckschwankungen bei Papierabrissen und dem Wiederanfahren der Produktionsmaschinen lagen von Beginn an innerhalb der zulässigen Grenzen«, so Prabucki. Selbst ein Kraftwerksausfall infolge Gasturbinenstörung wurde durch stoßfreie Umschaltung auf die ursprünglichen Dampferzeuger ohne Unterbrechung der Papierproduktion gemeistert. Dank dynamischer Simulation konnte die Inbetriebnahme und Optimierungsphase um mehrere Wochen verkürzt werden. Der Mehraufwand für die dynamischen Simulationen hat sich damit amortisiert.

Rund 130 Mio. € investierte E.on in die Errichtung des Kraftwerks. Betrieben wird es durch die Kraftwerk Plattling GmbH, eine Tochter der E.on Energy Projects. Die Anlage deckt den Prozessdampfbedarf nahezu vollständig und den Strombedarf zu rund 70%. Das Kraftwerk hat dank KWK einen Brennstoff-Ausnutzungsgrad von 83%. Brennstoffkosten und CO2-Emission sanken deutlich.

Erschienen in Ausgabe: 05/2011