Höchster Wirkungsgrad durch Kraft-Wärme-Kopplung

Optimierung der „Kraft-Wärme-Kopplung“ durch Messung und Instandhaltung in drei wichtigen Bereichen

Eine Vibrationsanalyse erfasst Frequenz und Stärke von Vibrationen, die durch Verschleiß, Fehlausrichtung, lockeren Sitz und andere mechanische Probleme verursacht werden.

Bei der „Kraft-Wärme-Kopplung“ wird Wärme aus energieintensiven industriellen Verfahren abgefangen und erneut zur Energieerzeugung verwendet, beispielsweise zur Erzeugung von Dampf, der dann einen Turbinengenerator antreibt oder andere Teile einer Anlage erwärmt. Durch Wärmerückgewinnung kann die Energieeffizienz um 30 % und mehr gesteigert werden. Infolgedessen genießt die Kraft-Wärme-Kopplung eine verstärkte Aufmerksamkeit, und heute stehen anspruchsvolle, nahezu schlüsselfertige Kraft-Wärme-Kopplungslösungen in verschiedenen Größe zur Verfügung. Aber auch das modernste Kraft-Wärme-Kopplungssystem bleibt ein elektromechanisches System, das für einen zuverlässigen Betrieb und maximale Effizienz regelmäßig gewartet werden muss.

Die Messung und Instandhaltung in drei wichtigen Bereichen des Kraft-Wärme-Kopplungsprozesses kann Ihnen helfen, die Zuverlässigkeit und Effizienz Ihrer Anlage zu maximieren:

  1. Wärmerückgewinnung
  2. Mechanische Systeme und Anlagen
  3. Elektroanlagen

1. Ausbauen der Wärmerückgewinnung

Alles, das dafür sorgt, dass Wärme aus einem Wärmerückgewinnungssystem entweichen kann, mindert die Effizienz. Eine unzureichende oder beschädigte Isolierung und mangelhafte Kondensatabscheider sind zwei Bereiche, die hier näher betrachtet werden müssen.

Finden von schlechten Isolierungen

Um eine defekte oder mangelhafte Isolierung zu finden, beginnen sie mit einer sorgfältigen Sichtprüfung. Eine Wärmebildkamera kann hier sehr hilfreich sein, denn was für das bloße Auge in Ordnung scheint, kann auf einer Wärmebildkamera ganz anders aussehen. Die Untersuchung der isolierten Verrohrung und Ausrüstung mit einer Wärmebildkamera sollte jährlich und nach Wartungsarbeiten durchgeführt werden, bei denen die Isolierung entfernt werden musste.

Mangelhafte Kondensatabscheider

In einem typischen Kraft-Wärme-Kopplungssystem wird die Wärme aus Abgasen dazu verwendet, um Wasser vorzuheizen, das in einen Kessel eingespeist wird. Der Dampf aus dem Kessel wird dann über Rohrleitungen verteilt und in der Anlage zum Wärmen genutzt. Kondensatabscheider – Vorrichtungen, die das kondensierte Wasser aus dem Dampfsystem entfernen – sind kleine Geräte, die einen großen Einfluss auf die Effektivität und den Wirkungsgrad eines Dampfsystems haben können. Mangelhafte Kondensatabscheider kommen häufig vor, dieser Fehler ist aber schwer zu finden. Es gibt zwei Ausfallmodi: offen und geschlossen.

Bei einem Abscheider, der geschlossen ausfällt, verbleibt das in den Dampfleitungen kondensierte Wasser in diesen Leitungen. Kondensiertes Wasser mindert nicht nur die Wärmeübertragung und damit die Effizienz, sondern kann auch in den Dampfkreislauf eintreten und so einen „Wasserschlag“ verursachen, durch den die Anlage beschädigt oder zerstört werden kann.

Bei einem Kondensatabscheider, der offen ausfällt, gelangt der Dampf aus dem Dampfsystem in das Kondensatrückführungssystem. Ein einziger, in offener Stellung ausgefallener Abscheider kann so tausende Dollar Dampf pro Jahr kosten.

Um zu prüfen, ob die Kondensatabscheider ordnungsgemäß funktionieren, müssen Sie alles über das Dampfsystem wissen, an dem Sie arbeiten, sowie über die Art des Kondensatabscheiders und die Werkzeuge, die Sie zur Untersuchung verwenden. Oft müssen Sie geduldig sein und einen Kondensatabscheider-Zyklus abwarten, um dessen Betrieb richtig zu bewerten.

Diese drei Untersuchungsarten können Ihnen helfen, defekte Kondensatabscheider zu ermitteln:

  • Untersuchen Sie den Abscheider auf offensichtliche Anzeichen für Probleme.
    Abscheider, die jahrelang nicht gewartet wurden, können Fehlerraten von über 30 % aufweisen.
  • Untersuchen Sie den Abscheider mit einer Wärmebildkamera.
    Eine Wärmebildkamera zeigt normalerweise Objekte unterschiedlicher Temperatur mit unterschiedlichen Farben an – meist werden kühlere Farben (Blautöne) für niedrigere Temperaturen verwendet, und wärmere Farben (Rottöne) für höhere Temperaturen. Ein Abscheider, der sich nicht öffnet, zeigt hohe Temperaturen auf beiden Seiten an, da er Dampf direkt durch und in das Kondensatrückführungssystem entlüftet.
  • Untersuchen Sie den Abscheider mit einem Ultraschallsensor.
    Ein Ultraschallsensor mindert die Hochfrequenz-Töne des Dampfstroms auf für das menschliche Ohr wahrnehmbare Frequenzen. Außerdem zeigt er die Geräuschintensität auf einer Anzeige an. Anhand dieser Anzeige kann ein geschulter Techniker leckende Kondensatabscheider erkennen.

Richten Sie ein Kondensatabscheider-Untersuchungsprogramm ein, und führen Sie regelmäßige Untersuchungen durch, die durch den Dampfsystem-Druck vorgegeben werden. (Siehe Seitenleiste, Empfohlene Wartung für maximalen Wirkungsgrad in einer Kraft-Wärme-Kopplung-Anlage.) Techniker untersuchen manchmal dutzende Abscheider an einem Tag.

Glücklicherweise werden die meisten Defekte durch verschmutzte Abscheider hervorgerufen, die entweder verstopft (geschlossen) sind oder ein Leck haben (offen) und leicht repariert werden können.

Das Warmwasser (in diesem Bild mit Farbalarmierung der IR-Fusion®-Technologie von Fluke Rot dargestellt) sollte eigentlich die mittlere Leitung nach oben steigen, tut dies aber nicht. Es scheint ein defektes Ventil vorzuliegen – das System muss abgeschaltet werden, um dieses zu ersetzen.

Weitere zu prüfende Stellen mit möglichen Wärmeleckagen

Weitere Leckagen, welche den Wirkungsgrad im Wärmerückgewinnungssystem mindern und mit Wärmebildkameras und Ultraschallsensoren erfasst werden können, sind Nebenschlussventile, Leitungsleckagen, Luftleckagen und Leckagen im Abgassystem.

2. Optimieren der mechanische Systeme und Anlagen

Eine Vibrationsanalyse erfasst Frequenz und Stärke von Vibrationen, die durch Verschleiß, Fehlausrichtung, lockeren Sitz und andere mechanische Probleme verursacht werden.

Wärmebilder können auch bei der Fehlersuche von mechanischen Problemen helfen, welche den Wirkungsgrad und die Zuverlässigkeit des Kraft-Wärme-Kopplungsbetriebs mindern können. Anschließend kann mithilfe eines Vibrationsprüfers die Ursache für die Überhitzung der mechanischen Teile ermittelt werden, die mit der Wärmebildkamera erfasst wurden.

Verwenden von Wärmebildern für die Erfassung von mechanischen Problemen

Untersuchen Sie drehende mechanische Teile mit einer Wärmebildkamera, um nach ungewöhnlich hohe Temperaturen zu suchen. Achten Sie dabei auf Anzeichen für Überhitzung an Motorschalldämpfern, die auf mögliche Lager- oder Ausrichtungsprobleme hinweisen kann.

Verwenden von Vibrationsanalysen für die Erfassung von mechanischen Problemen

Die Pumpen, Kompressoren und Motoren in einer Kraft-Wärme-Kopplungsanlage unterliegen Lagerverschleiß, Fehlausrichtungen, Unrundlauf, lockerem Sitz und anderen mechanischen Problemen. Diese Probleme sind nicht nur Warnzeichen für einen anstehenden Ausfall der Anlage, sie mindern auch den Wirkungsgrad. Eine Vibrationsanalyse ist eines der frühesten Anzeigen eines mechanischen Ausfalls. Durch Messen und Analysieren der Vibrationssignatur der Maschine und die Ermittlung von Abweichungen können Sie im Betrieb Informationen zum Zustand der Anlage sammeln. Durch das frühzeitigen Erfassen eines beginnenden Lagerausfalls der Wasserumwälzpumpe eines Wärmerückgewinnungskessels können unplanmäßige Ausfallzeiten verhindert und so eine erhöhte Verfügbarkeit der Anlage erreicht werden. Übermäßige Vibrationen können mehr sein als nur ein Symptom; sie können selbst zu Problemen führen und Komponenten, Strukturen und Dichtungen schädigen.

3. Optimieren von elektrischen Systemen

Elektrische Ineffizienzen in Kraft-Wärme-Kopplungssystemen können sowohl im Stromerzeugungs- und -verteilungssystem als auch in der elektrischen Anlage vorliegen, welche als Teil des Kraft-Wärme-Kopplungssystems läuft.

Wenn der Generator der Kraft-Wärme-Kopplungseinrichtung eine große Menge induktiver Ladungen einspeist (beispielsweise Motoren und Transformatoren), läuft er möglicherweise mit einem schwachen Leistungsfaktor. Durch das Hinzufügen von Blindleistungskompensatoren in ein Stromverteilungssystem wird der Leistungsfaktor optimiert, und vom Generator kann mehr Leistung für sinnvolle Arbeiten im Verteilungssystem genutzt werden.

Wenn der Generator nicht lineare Lasten einspeist (beispielsweise VFDs, USV-Systeme oder Kopiermaschinen), können im System unerwünschte Oberschwingungsströme auftreten. Diese Oberschwingungsströme können in der Verkabelung und Ausrüstung zu übermäßig hoher Wärme führen und Betriebsprobleme mit anderen elektronischen Komponenten, darunter Spannungsregler und -steuerungen für die Kraft-Wärme-Kopplungsanlage, nach sich ziehen. Diese Ineffizienzen sind meist nicht direkt sichtbar, müssen aber überwacht und kontrolliert werden.

Untersuchung und Protokollerstellung

Führen Sie eine Untersuchung der Netzqualität in der Kraft-Wärme-Kopplungsanlage und dem elektrischen System, das sie versorgt, durch. Damit können Sie bestehende und potenzielle Probleme, einschließlich Oberschwingungen und Verzerren der Spannung und aktuellen Signalform ermitteln, welche in die Kraft-Wärme-Kopplungseinheit und die Zusatzausrüstung, z. B. Motoren und Elektromotoren, eingespeist werden.

Verwenden Sie einen Datalogger , um das Verhalten des elektrischen Systems über einen bestimmten Zeitraum aufzuzeichnen. Dies ist sehr nützlich, da viele Netzqualitätsprobleme wie Transiente und Spannungsabfälle nur einen kurzen Moment lang auftreten. Werden die vorgegebenen Parameter einer elektrischen Anlage nicht eingehalten, kann dies zu übermäßiger Wärme führen, Steuerungen können ausfallen, und der Wirkungsgrad der Stromerzeugung kann sinken.

Signale sehen und Messwerte erfassen

Für den Betrieb einer Kraft-Wärme-Kopplungsanlage gehen Zuverlässigkeit und Effizienz einher. Individuelle Wartungsprobleme wie eine mangelnde Isolierung, defekte mechanische Dichtungen, im geschlossenen Zustand blockierte Kondensatabscheider oder überhitzte Transformatoren können im Vergleich zur Gesamtstromerzeugung der Kraft-Wärme-Kopplungsanlage unwesentlich scheinen; aber die regelmäßige Kontrolle und Wartung kann sich langfristig enorm auszahlen.

Besuchen Sie unsere Seiten zur Wärmerückgewinnung und mechanischen und elektrischen Anlagen, um mehr über Verbesserungsmöglichkeiten zu erfahren. Durch die Kombination von Ultraschallerfassung, Wärmebildern und Vibrationsanalysen werden die verfügbaren Wartungstechnologien optimal genutzt, und Sie erhalten eine Kraft-Wärme-Kopplungsanlage, die mit dem höchstmöglichen Wirkungsgrad fährt.

Anmerkungen

  1. Energietipps – Dampf U.S. Department of Energie, http://www1.eere.energy.gov/industry/bestpractices/pdfs/steam1_traps.pdf
  2. Beurteilen der Leistung von Kondensatabscheidern, U.S. Department of Energy, http://www1.eere.energy.gov/femp/pdfs/FTA_SteamTrap.pdf
  3. Finanzierungsmöglichkeiten, U.S. Department of Energy, http://www1.eere.energy.gov/industry/distributedenergy/funding.html