Lambdaregelung
Optimierung der Lambdaregelung eines GuD-Blocks
Die Lambdabestimmung im Kessel von Gas- und Dampfkraftwerken (GuD-Kraftwerken) erfolgt bei älteren Anlagen häufig über die separate messtechnische Erfassung der Brennstoffmenge und der dem Kessel zugeführten Rauchgasmenge aus der Gasturbine. Insbesondere für die Erfassung der Luftmenge ist es dabei erforderlich, dass die Messung über einen weiten Messbereich vertrauenswürdige Ergebnisse liefert. Weicht die Messung stark von der Realität ab, führt eine falsche Luftregelung zu Störungen in der Verbrennung, die sich am Brenner durch Fehlermeldungen der Flammwächter oder am Kamin durch hohe Emissionswerte bemerkbar machen.
In einem GuD-Kraftwerk wird das Abgas einer Gasturbine im nachgeschalteten Kessel als Verbrennungsluft genutzt. Auf diese Weise kann die Wärme im Abgas zur Dampferzeugung genutzt werden, was den Wirkungsgrad der Gesamtanlage deutlich steigert. Um sowohl im Volllastbetrieb als auch im Teillastbetrieb des Kessels ein optimales Luft-/Brennstoffgemisch zur Verfügung zu haben, wird ein variabler Teil des Abgases über einen Bypass an den Brennern vorbei zu den Überhitzern geführt.
Bei kompakten Kraftwerken eignet sich der Bypass aufgrund seiner Länge strömungstechnisch gut zur Volumenstrommessung. Über die Differenz der relativ konstanten Rauchgasmenge aus der Gasturbine und des gemessenen (variablen) Bypassvolumenstroms ergibt sich die dem Kessel zugeführte Rauchgasmenge. Im Volllastbetrieb des Kessels ist dieser Volumenstrom idealerweise gering, während er mit zunehmender Teillast ansteigt, da weniger Rauchgas für die Verbrennung im Kessel benötigt wird.
Die Mengenregelung erfolgt über Drosselklappen und kann bei einem Kraftwerk der 400-MW-Klasse einen Bereich von wenigen Nm³/s bis über weit über 300 Nm³/s abdecken. Insbesondere im unteren Messbereich stellt dies übliche Venturimessungen vor große Herausforderungen. Bei zu geringer Rauchgasgeschwindigkeit wird das Messsignal im Venturi zu schwach und der Volumenstrom wird zu niedrig gemessen.
Die Leittechnik errechnet daraufhin einen zu hohen Volumenstrom zum Kessel und somit einen zu hohen Lambdawert. Wenn das reale Luft-/ Brennstoffgemisch lokal einen Wert von Lambda = 1 unterschreitet, ist ein Anstieg der CO-Emissionen die Folge.
Solchen Ereignissen steuert die Betriebsmannschaft durch Erhöhung des Lambda-Sollwertes entgegen, was dann nicht selten zu Signalstörungen an den Flammwächtern führt.
Heat and power engineering hat in einem GuD-Spitzenlastkraftwerk den Volumenstrom im Bypasskanal an verschiedenen Lastpunkten gemessen und ein Kennfeld in Abhängigkeit von der Klappenstellung für unterschiedliche Umgebungsbedingungen simuliert. Eingepflegt in die Leittechnik löst das Kennfeld die Venturimessung außerhalb des Vertrauensbereichs ab. In der Simulation konnten zudem die Auswirkungen des anstehenden Gasturbinen-Retrofits antizipiert werden.
Die Wiederinbetriebnahme nach dem Retrofit mit der optimierten Lambdaregelung erfolgte störungsfrei. Die CO-Emissionen konnten deutlich reduziert werden bei gleichzeitig stabilerem Blockbetrieb.
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