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Dampfexpansionsmotor für die Nutzung

1. u0000000200 Res Renee nnnnennnnnnnnn nenn nennen 146 CAD Ansicht ORC Anlage DeVeTec 0200000020000snennnnnnnnnennnnnennnnne nennen 147 Beginn der Aufbauarbeiten DeVeTec 0s0202000200e nenne nnnnennnnne nenne nnnnnennnnen 147 ORC Anlage Standort Boffzen DeVeTec us000200000s0n0eneennnnennnnnennnnnennnneennnn 148 Vereinfachtes PID der ORC Anlage Standort Boffzen DeVeTec 150 Zeitlicher Projektablauf Standort Boffzen DeVeTec nner 150 elektrische Leistung Anlage Boffzen DeVeTec 2200s0200000020n nee nneeneeenenn 151 Anbindung des ORC Moduls DeVeTec 002000000000e nenne snnnnesnnnnennnnnennnnennnnn 152 Bestimmungsort des ORC Moduls DeVeTec 0000000000000nneennnnesnnnnennnnnennnne 153 Bestimmungsort des ORC Moduls in der Stahlkonstruktion DeVeTec 153 Rohrleitungsverlauf der Hei gasleitungen DeVeTec s 2202222e nern een 154 Aufstellung ORC Verdampfer incl skizziertem Rohrleitungsverlauf DeVeTec 155 Skizzierter Rohrleitungsverlauf DeVeTec 200022000020s se ennenesnnnnesnnnnennnneennnn 155 Messprotokoll des Ofenrauminnendrucks und der Stellung der Ofendruckregelklappe M PE E E AAE EEA E EAE N WEINEN REINER A AAE EET E 156 Skizzierte Einbindung des ORC W rmetauschers DeVeTec nnn 157 Anfor
2. O p a LL 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 Temperatur C Abbildung 142 Temperatureinfluss auf den Festigkeitskennwert von Edelstahl 1 4571 Der zul ssige Druck ergibt sich nach der Druckger terichtlinie EN 13445 mit der Beziehung K PT 1 25 PS TS max 13 6 Hierbei wird der Festigkeitskennwert bei Raumtemperatur und bei Pr ftemperatur ins Verh ltnis gesetzt und mit dem Betriebsdruck bei Raumtemperatur und einem Sicherheitsfaktor von 1 25 multipliziert Hersteller standardm iger Rohre aus dem Werkstoff 1 4571 geben einen maximal zul ssigen Druck von etwa 276 bar an Nimmt man nun aus den maximalen Prozessgr en der Anlage den entsprechenden Werkstoffkennwert bei 450 C K 131 MPa und den maximal herrschenden Druck von 60 bar so erh lt man laut Gleichung 5 6 einen erforderlichen Pr fdruck von 137 4 bar welcher gr er dem maximal zul ssigen Druck ist Pesati 137 4bar lt 276bar PT 1 25 60bar MPa 13 7 Angesichts des Montageaufwands und der Kosten wurden folgende Rohrleitungen ausgew hlt Die Rohre sind mit Nummern versehen und im R amp Flie bild eingetragen DeVeiec Tabelle 7 bersicht der ausgew hlten Rohrleitungen DeVeTec 13 2 3 9 2 Ventile Die Auswahl der passenden Ventile erfolgt nach den gleichen Gesichtspunkten wie die der brigen Komponenten Besondere W Wertstellung erf hrt dabei die Dichtheit und Vertr glichkeit in Bezug auf agg
3. VAwsS in die Stufe A 3 Genehmigungspflicht Aufgrund der Einstufung in die Stufe A ist die Anlage nicht genehmigungspflichtig 162 DeVe iec 4 Beschaffenheit der Anlage ohne die Betrachtung des ORC Containers Es gibt keine unterirdischen Beh lter oder Rohrleitungen Die Anlage ist als dauerhaft technisch dicht ausgef hrt Die l sbaren Verbindungen sind so ausgef hrt dass die Dichtungen nicht aus ihrem Sitz gedr ckt werden k nnen Esgibt keine Auffangwannen 5 Beschaffenheit des ORC Containers ohne die Betrachtung der restlichen Anlagenteile Esgibt keine unterirdischen Beh lter oder Rohrleitungen Die Rohrleitungen im Container sind als dauerhaft technisch dicht ausgef hrt allerdings erf llen diese Anforderung der ORC Expander und die Ethanolpumpen nicht Die l sbaren Verbindungen sind so ausgef hrt dass die Dichtungen nicht aus ihrem Sitz gedr ckt werden k nnen Der Container ist als Wanne ausgef hrt und kann mindestens 1000 Liter Ethanol aufnehmen ohne dass diese Menge an die Umwelt abgegeben wird 6 Anforderungen an die ORC Anlage entsprechend der VawS Unter Punkt 3 3 der VawS der die Anforderungen an die oberirdischen Rohrleitungen regelt m ssen f r Stoffe der WGK1 die Ma nahmen Fo R l ergriffen werden Unter Punkt 3 4 der VawS der die Anforderungen an Anlagen zum Herstellen Behandeln und Verwenden regelt m ssen f r Stoffe der WGK1 mit einem Volumen von mehr als
4. 241 DeVeiec 242 Damit ergaben sich folgende Wirkungsgradverh ltnisse der Bestwerte MoRcent111 Ethanol 14 4 2 39 Tabelle 14 Wirkungsgradverh ltnisse ORCent111 Ethanol DeVeTec er Optimierung 2 ohne Optimierung 1 ohne Unterk hlung im Unterk hlung im Kondensator und mit korrigierte Kondensator und mit Temperatur Rohwerte Rekuperator dann Rohwerte Rekuperator dann on Massenstromerh hung Substitution von und somit mehr Verdampferleistung Expanderleistung 130 C 2 25 2 25 2 06 1 97 140 C 1 97 1 92 1 79 1 73 150 C 1 90 1 88 1 76 1 70 Wichtig Die Optimierungsbetrachtungen konnten nur mit Idealannahmen gemacht werden Fehler von 10 in beide Richtungen m ssen mindestens einkalkuliert werden Dies gilt insbesondere f r die Optimierung 2 aufgrund der aufwendigeren fehlerbehafteten Idealberechnung sowie der sich ergebenden Druck nderung die eine hier nicht zu ber cksichtigende nderung des inneren polytropen Wirkungsgrades nach sich zieht Zudem ergaben schon Versuchsvalidierungen Abweichungen von teilweise bis zu knapp 8 n bzw nOinE t0 s Bu SE E BEE BE 9 Cemeng ee a ORC O O OO a5 RBobvmelle nn mn d mu towne a aa 6 55 E 5 Q n Ethanol 4 me e i i a aa En R rr Rohwerte s Rohwerte i s rr Rohwerte is Optimierung 2 ORCent111 n Ethanol Abbildung 173 n O Diagramm Ethanol und ORCent111 DeVeTec DeVe iec 14 4 3 Leistungs Druck Kurve Die L
5. K hwassennhaft Leistungsdaten f r ein Motor Motorleistung nach ISO 3046 1 yh Energiebilanzierung eines Motor Elektrische Kemmeneistung kwe 354 K hwassew me 7 kw Gemischw me _ _ _ kw AP Abgas bis Abk hlung auf 180 C __ kin Brennstoff TE Summe pot W nrmeenergie Fementer DD _ kwin SofnichtvenfiziereAussagen Trockner Vorlauf R cklauftemperatur rc 90 70 nichtverifizierte Aussagen Wasserumlaufmenge Trockner nicht verifizierte Aussagen Abbildung 78 MWM Datenblatt Motorenwerke Mannheim A E E T BEREEN DeVe ec Folgender W rmebedarf wurde f r den Fermenter und die Trockenbandanlage ermittelt Fermenter Fu bodenheizung Medium Wasserohne Zus tze Vorlauftenperatur 80 C R cklauftemperatur 45 C Temperatur des zu trocknenden Materials 40 C erforderliches AT Z2OK Max Leistung 160kW Leistung im Jahresmittel 50kW Im Wollasibereich des Fermenters max F llung wird keine Zuheizung Sommer wie Winter ben tigt Im Sommer muss eventuell gek hlt werden Trockner Wasser Luft K hler Medium Wasser ohre Zus tze Versorgung mit Au enluft Vorlaufternperatur 90 C R cklaufternperatur 70 G Temperatur des zu trocknenden Materials 40 C Angedachter Leistungsbedar 1500 kW Die beiden Wasser Luft K hler im Trockner k nnen von einem oder von beiden BHKWIs beheizt werden Hersteller der Bandirccknung ist die Fa Stella Abbildung 79 W rmebeda
6. Ok Us 14 4 2 19 Ok betrug f r beide Medien etwa 21 C Die Sattdampftemperatur Os liegt f r Ethanol etwa bei 78 C f r ORCent111 bei 32 C Umgebungsdruck im Kondensator Aufgrund der gr eren Temperaturdifferenz zur Sattdampftemperatur und der gr eren spezifischen W rmekapazit t flachere Siedelinie im T s Diagramm wird ersichtlich dass die Unterk hlung bei Ethanol gr er war und somit der Wirkungsgradgewinn bei Unterk hlungsvermeidung gr er ausfallen wird als bei ORCent111 Es bieten sich zwei M glichkeiten die Unterk hlung aus den vorliegenden Versuchen herauszurechnen a Optimierung 1 L ge keine Unterk hlung vor so k nnte der Verdampfer eine um die Unterk hlungsleistung geringere Leistung haben w hrend Verdampferaustrittstemperatur und Expanderleistung gleich blieben F r den neuen verbesserten Prozesswirkungsgrad wird der Betrag der Unterk hlungsleistung von der Verdampferleistung abgezogen Pl Ozu Our 14 4 2 20 b Optimierung 2 Bei gleichbleibender Verdampferleistung und Verdampferaustrittstemperatur w rde sich der Massenstrom ohne die Unterk hlung erh hen Dabei erh hen sich Expanderleistung und Prozesswirkungsgrad Die Expanderleistung stieg aber nicht nur um das Verh ltnis des erh hten Massenstromes sondern dar ber hinaus aufgrund eines steigenden Eintrittsdruckes Dieser Druckanstieg ist wie bereits bei den Normierungen Korrekturen oben beschrieben auf d
7. Tabelle 3 Auslegungsdaten des Kondensators DeVeTec 0 033 kg s 0 4 kg s 1272 88 kg m 3 987 57 kg m 3 1 346 kJ kg K 4 174 kJ kg K Ca 11 kW Der Hersteller des Kondensators empfiehlt eine Vork hlung in das System zu integrieren falls die Temperaturunterschiede zu gro sind Der angeschlossene K hlkreislauf wird gesondert betrachtet 13 2 3 5 Ausgleichsbeh lter Der Ausgleichsbeh lter dient als Sammelgef des kondensierten Mediums Weiterhin wird er ben tigt damit die Pumpe nicht trocken l uft und die betriebsbedingte nderung des F llstandes im Verdampfer ausgeglichen wird Der Gesamtvorrat der Anlage betr gt etwa 25 Liter Dabei sollen w hrend des Betriebs maximal etwa 13 Liter im Beh lter vorr tig sein Falls jedoch das unter Druck stehende Medium ber die Bypass Leitung am Expander vorbei geleitet wird wurde der Beh lter auf ein Fassungsvolumen von 56 Litern ausgelegt So wird der Druck des Mediums im Extremfall durch eine Volumenvergr erung von 60 bar auf 20 bar verringert was gleichzeitig eine Temperatursenkung zur Folge hat Der Ausgleichsbeh lter hat vier Anschlussstellen Zwei sind f r Zu und Ablauf des Mediums zust ndig in einen weiteren wird ein F llstandsensor eingef hrt Der vierte Anschluss ist zum Erzeugen eines Unterdrucks durch eine Vakuumpumpe notwendig A E Y y a DeVeiec Die Prozessdaten im berblick Tabelle 4 Prozessdaten Ausgleichsbeh lter DeVeTec Betriebsdru
8. ffnen des Motors erforderlich machen Die verbauten Leckgasdichtungen k nnen einen Ethanoleintrag in das Kurbelwellengeh use nicht sicher verhindern Dies liegt an der Konstruktion offener Sto welche aber dadurch eine Langlebigkeit gew hrleistet Ein Ethanoleintrag in das Kurbelwellengeh use stellt aber keine Schwierigkeit dar weil das Ethanol bei warmer Maschine wieder aus dem Kurbelwellengeh use abgesaugt wird und dem Ethanolkreislauf zur ckgef hrt werden kann Das verwendete Schmier l im Motor kann eine Beladung von 10 Ethanol dauerhaft verkraften ohne eine Beeintr chtigung zu erleiden 9 3 4 Steuerung SPS In der Steuerung selbst sind noch M ngel sichtbar geworden die der Zulieferer auf der Softwareseite noch beseitigen muss Ein vollst ndiger autarker Betrieb ohne Beaufsichtigung ist erst danach und mit einer funktionierenden Motor berwachung m glich Aktuell wird die Anlage noch mit st ndiger Aufsicht durch Personal von DeVeTec gefahren Dieses schr nkt die Laufzeit neben der max Verf gbarkeit von 3000 h noch weiter deutlich ein 9 3 5 Anlagentechnik Die verbauten Komponenten zeigen im Probebetrieb zufriedenstellende Funktionen Der l Ethanolabscheider am Kurbelwellengeh use ist noch nicht f r einen Betrieb von 8000 h ausgelegt Dieses Thema wird in einer separaten Untersuchung u a Bachelor Thesis aufgef hrt DeN elec Das Zudampfventil X201 welches auch als Stellorgan f r die Drehzahlregelu
9. Dementsprechend kann die Expanderleistung bzw der Wirkungsgrad bei bestehendem Bypassstrom nicht als Ma stab herangezogen werden In dieser Arbeit sind die direkten ausschlie lich korrigierten jedoch nicht optimierten Expanderleistungen aufgef hrt Hier geht es um eine qualitative Aussage die die Einsatzf higkeit von ORCent111 auch f r Temperaturen bis runter auf ca 80 C f r m glich h lt Eine optimierte Betrachtung der Expanderleistungen ist hier schwierig und ggf DeVe ec irref hrend zumal nicht der schwankenden Verdampferleistung Wirkungsgrad Rechnung getragen wird In der folgenden Abbildung sind soweit m glich sinnvoll ber den Wirkungsgrad auch die optimierten Daten dargestellt Tins Bypass geschlossen Optimierung Optimierung 1 orr Rohwerte Bypass zur Optimierung 2 Druckabsenkung offen ab hier sinnlos unm glich daher Wirkungsgardangabe da optimierter Druck im sinnlos fl ssigen Bereich l ge Sattdampfeintritt in Expander 9 C 7 e e2 a s o0 o2 d s 100 102 104 106 10a tid 112 114 1e 110 120 122 124 126 i28 130 Abbildung 176 n Diagramm ORCent111 bei tieferen Temperaturen DeVeTec Deutlich zu erkennen ist dass zwischen 120 und 130 C ein Bruch erfolgt Des Weiteren scheinen die Wirkungsgrade bei 130 C paradoxerweise geringer als bei 120 C Dies ist auf unvermeidbare Fehler Abweichungen im Versuchslauf zur ckzuf hren Wie schon erw hnt findet ein Sp
10. Stat ORC Expander Verdampter K hlung Druckverl auts l Messwerte Ausgangswerte Status Test E P205 bas T3 7 0 uns 4 Byp ss 4 or s 2 j T je 7 T207 7 rt F301 lien oe 4 100 vw f a TE TAG Heg EDL ww pa Druskbeh lber Abbildung 149 Bildschirm der Messstellen im ORC DeVeTec Start ORC Expander Masssteillen Tabelle indes f Basuichnun Repite rm 1 Ta Temperabs Medium verdampfes Au Aust 2 i 10 zu Tempersna Mehisim or banner E T296 Temperuhs Medium nach Epunder 4 ar Temperans Medium vor Konden aro 5 T38 Temperans Medium nach Kondensator E THL Temperate i bpander r 7 i Temperat trei g Temperatur frai y MEAS Temperana frei 1528 10 DEJALO Temperana frei 155 3 u u all Temperana tret 1573 1 Ei Wiari Temperatur frei 157 13 awana Temprana fi fisi 5 Leistung Generator t Leistung veidsampfes nu JAI Da Medium wor Veaungumpe Tu Modbus Temperane Kuniwarser Kondensator Einmitt som bodii Temperat naulwasse Kondensator Aust Fa rw Durdhlluss Kutniwasser Abbildung 150 bersicht der Messwerte mit definierbaren Abschaltkriterien DeVeTec Rat ORC Bxpanmder Werdamgfer K hlung Omsckwerl ufe Messwerte Ausgangswerte Status Test fo 0 X203 Stellung Bypas
11. Verdampfers Ethanols austretenden Ethanol austritt Dampf Ethanols l min C kW kg m3 l s 23 305 450 000 10 980 25 531 400 000 10 990 28 257 350 000 11 000 31 800 300 000 10 990 37 933 250 000 10 990 68 144 200 000 9 450 Tabelle 9 zeigt dass bei einer Temperatur von 200 C und einem Pumpenvolumenstrom von 1 5 I min der Volumenstrom des austretenden Ethanols mit 16 039 I s am gr ten ist Dabei ist immer von der H chstleistung des Verdampfers von maximal 11 kW auszugehen Die rot hinterlegten Werte sind die Maximalwerte und k nnen nicht berschritten werden Die Dichte des fl ssigen Ethanols nach der Speisepumpe betr gt bei allen untersuchten Punkten 757 147 kg m Um jetzt unter der UEG von Ethanol zu bleiben wird der erforderliche Volumenstrom des Ventilators bestimmt y 16 0391 RE Ventilator gt is 458 26 1649 73 UEG onanoi 3 5 S h Als Entl ftung wurde ein frei saugender Wandventilator mit ATEX Standard und einem Volumenstrom von 2350 m h gew hlt Der Durchmesser betr gt 315 mm Zur besseren Durchl ftung der Einhausung werden Luftein und austritt m glichst weit voneinander weg platziert sodass eine gute Zirkulation garantiert ist Hierzu sind in der Deckenplatte der Haube und in der R ckwand der unteren Einhausung jeweils eine ffnung f r Zu und Abluft angeordnet Die Abluft wird durch ein Rohrsystem in die Halle abgeblasen Unmittelbar nach dem Ventilator f
12. ber Ventile wird das System abgeschlossen Der Wechselbeh lter hat eine eigene F llstandsanzeige NO UV l DeVe ec 13 2 3 9 Rohrleitungen und Ventile 13 2 3 9 1 Rohrleitungen Bei der Auslegung der Rohrleitungen gibt es zwei unterschiedliche Ans tze die geeigneten Rohre auszuw hlen Zum einen muss der erforderliche Querschnitt zum anderen die Druckstufe und die daraus sich ergebende Wanddicke ermittelt werden Der Innendurchmesser di oder auch Nenndurchmesser DN wird ber den festgelegten Massenstrom und die lokale Dichte bestimmt Dazu verwendet man die Kontinuit tsgleichung 2 m V p c A p c Z p T p konst 13 4 q 4 EE 13 5 Somit muss f r jeden Teilabschnitt der Rohrleitung der Durchmesser neu berechnet werden da sich die lokalen Bedingungen wie Druck und Temperatur ndern Die Teilabschnitte lassen sich wie folgt einteilen e Speisepumpe gt Verdampfer Verdampfer gt Expander e Expander gt Kondensator o Kondensator gt Speisepumpe K hlkreislauf Wasserseite Unterdrucksystem Wechselsystem F r die Maximalwerte des Prozesses werden die Querschnitte der Teilstrecken bestimmt Als Grundlage dienen zun chst die Werte des bekannten Mediums Ethanol Die entscheidende Gr e bei der Rohrauslegung ist die Str mungsgeschwindigkeit Erfahrungswerte geben hier f r Rohrleitungen mit Medien im fl ssigen Zustand ca 1 3 m s und mit gasf rmigen Medien Sattdampf
13. 4 genutzt werden 7 1 2 3 ET 200S Die ET 200S ist ein modulares Peripheriesystem Es bildet die Schnittstelle zwischen den Feldger ten wie Sensoren und Aktoren und der CPU Der modulare Aufbau erlaubt es das System so zu konfigurieren wie es ben tigt wird Dabei stehen verschiedene digitale und analoge Eingangs und Ausgangsmodule sicherheitstechnische Module Motorstarter sowie diverse Technologiemodule zur Verf gung Die Anbindung an die bergeordnete CPU 315F 2PN DP erfolgt dabei durch ein Interface Modul Dadurch werden die Daten der Peripheriemodule mit der berlagerten CPU ausgetauscht Bei Interface Modulen mit integrierter CPU wird die Rechenleistung direkt in das Peripheriemodul verlagert Dadurch wird die zentrale Steuerung entlastet und es k nnen schnellere Reaktionszeiten auf zeitkritische Signale erm glicht werden Selbst f r sehr schnelle Regelungen kann die ET 200S eingesetzt werden denn durch High Feature Interface Module schnelle E A Module und einen sehr schnellen internen Datentransport wird die Performance weiter gesteigert Eine h here Anlagenverf gbarkeit wird durch die Hot Swapping Funktion erreicht Dabei k nnen die Elektronikmodule bei einem Fehlerfall im laufenden Betrieb ausgetauscht werden Die Station bleibt hierbei funktionsf hig und die Anlage ist weiter verf gbar Abbildung 59 Dezentrale Peripherie ET200S DeVeiec 7 1 2 4 SIMATIC MP377 15 Zoll Touch Als Schnittstelle zum Anwender wird e
14. DeVeiec Das zweiteilige Pumpenmodul wird in der Werkshalle vormontiert und in den Pumpenraum gehoben Vorher definierte Montageschwei n hte werden bei der Endmontage im Pumpenraum geschwei t Die auf der Abbildung gezeigten offenen Flansche werden auf die am Container befestigten Passbleche fixiert um definierte Schnittstellen abbilden zu k nnen Im Expanderraum werden die pneumatischen Dampfregelventile mit den Rohrleitungen an einem zentralen Rahmen aufgehangen Ziel soll es sein dass alle Komponenten am zentralen Rahmen montiert und geschwei t werden Nach Fertigstellung soll die Baugruppe in den Container gehoben und an den Befestigungspunkten verschwei t werden Abbildung 30 Rohrleitungssystem Expander DeVeTec Nachdem das Pumpenmodul und die Dampfrohrleitungen f r den Expander montiert sind wird mit dem Innenausbau des Containers begonnen Der Innenausbau umfasst unter anderem die Montage der Pneumatikleitungen f r die einzelnen Regelventile und die Verkabelung des Containers Nach Fertigstellung dieser Arbeiten kann das bereits montierte ORC Grundmodul in den Container eingebracht werden Das ORC Grundmodul besteht aus folgenden Komponenten e Maschinenbett e Expansionsmotor e Getriebe e Generator e Leckgas und Kondensatbeh lter mit externer Pumpe e lvorw rmung und lk hlung mit drehzahlgeregelter Pumpe e Pneumatisches Vorw rmventil zur Expandervorheizung e Temperatur und Drucksensoren e Kabelpritsch
15. Fntstiehonde H7504 6563 ma erfisorochand Verl obsare Protonen Heu merende Konbenirabon Resusterender pH Wert Abbildung 11 Ermittlung der Taupunkttemperatur DeVeTec Die minimale Rauchgastemperatur muss ber der Taupunktgrenztemperatur liegen damit sichergestellt ist dass die Oberfl chentemperatur der mit dem Rauchgas in Ber hrung kommenden Metalloberfl chen nicht unter die Grenztemperatur sinkt Diese Minimaltemperatur steht aber im Zielkonflikt zur maximalen thermischen nutzbaren Leistung der Verdampfereinheit Um m glichst viel thermische Leistung aus dem Rauchgas ziehen zu k nnen ist man bestrebt das Rauchgas so weit wie m glich runter zu k hlen Problem der Oberfl chentemperatur an _gek hlten Heizrohren innerhalb des Verdampfergeh uses Systembedingt kann das W rmetr germedium Ethanol nachdem es den Expansionsmotor passiert hat und im Kondensator kondensiert wurde nicht w rmer als 70 C werden Dies liegt zum einen an der Kondensationstemperatur von 78 C bei Umgebungsdruck und zum anderen an der Tatsache dass die Pumpeneinheit mit maximal 70 C kaltem Ethanol betrieben werden darf um Kavitationssch den zu vermeiden Mit dieser Temperatur wird das Ethanol im Betrieb der ORC Anlage in den W rmetauscher gepumpt Dies hat zur Folge dass die Oberfl chentemperatur an der Heizschlange in dem Bereich wo kaltes Ethanol gef hrt wird nicht wesentlich ber 70 C steigt Diese Thematik ist im W rme bergang begr
16. Im Expander werden weniger als 0 1 m Motoren l verwendet wodurch bei dieser Menge die Gef hrdungsstufe A anzusetzen ist Der ORC Container in dem der Expander steht ist so konzipiert dass austretendes Motoren l den Container nicht verlassen kann Die Bef llung der Anlage mit Ethanol erfolgt aus Ethanolf ssern mit einem F llvolumen von jeweils 200 Litern die au erhalb des Aufstellungsraumes gelagert werden Die Bef llung und Entleerung der Anlage wird im bel fteten Pumpenraum des ORC Containers durchgef hrt Betriebssicherheit Die ORC Anlage ist f r den Betrieb ohne Beaufsichtigung konzipiert Durch die Verwendung eines Containers kann ein definierter Raum von der Umgebung abgegrenzt werden Sollten w hrend des Betriebes St rungen in Form von Undichtigkeiten an den Dichtungselementen auftreten verhindert eine technische L ftung das Bilden einer explosionsf higen Atmosph re Der L fter saugt w hrend des laufenden ORC Betriebes Frischluft von au en ber die Schallschutzkulisse mit integrierten L ftungsschlitzen die sich im Pumpenbereich befindet an und bef rdert diese ber die L ftungselemente die sich im ORC Bereich befinden nach drau en Im Betrieb l uft die L ftung dauernd w hrend vor und nach dem Betrieb der ORC Anlage Vor und Nachlaufzeiten vorgesehen sind sodass der Container im jedem Betriebsfall ausreichend gesp lt ist Zus tzlich ist der Pumpen und ORC Bereich mit Sensoren best ckt die die Ethanol Gre
17. In einem weiteren Bildschirm ist der komplette ORC Kreisprozess grafisch dargestellt Jede Messstelle ist dabei nach Vorlage des R amp I Schaubildes an ihrer rtlichen Position abgebildet x S Stat DRI Expande Verdampter K hlung Dru vorl se Mastworte hungang waerta tatus To De ie gt Minen f Er puree POOD inhar Druckbeh lter Abbildung 149 Abbildung 147 Steuerung ORC Medienpr fstand Weitere Bildschirme dienen einer detaillierten Darstellung in Form von Diagrammen einzelner Untersysteme wie z B Verdampfer K hlkreislauf und Expander 193 DeVeiec 1 9 4 Die Messwerte sind in einer Wertetabelle noch einmal zusammengefasst Hierbei k nnen auch Grenzwerte f r jeden Messwert definiert werden bei denen eine Warnmeldung erscheint oder die Anlage sogar heruntergefahren wird Ein weiterer Bildschirm dient zur manuellen Ansteuerung der Stellantriebe und Aggregate Stat ORC Expander verdamgfer Kuhlung Druckveniufe Messwerte Ausgangswerte Status Test Leistung W Fran lentano C s p erher tdeire ERDE I Summe ah n 180 I Automatik j 1009 x D l PPS arm I gt 4 ag A Maijnia 7 bp am ini 2 1 0 y Autodurchfluss 1500 Medium kgh i PEOI Mederdurhftussh Nh s 280 1750 NEL f 3 308 2009 1 Medendurchfiuss koih Softwareverriegelhumg ae U PTI Medesenperstur Medum j X A350 Abbildung 148 Startbildschirm mit Regelparameter DeVeTec
18. Tauschleistung Nach Absprache mit dem Betreiber der Biogasanlage wird auf den Einbau eines zus tzlichen L fters verzichtet Im Sommerbetrieb kann auch ein Teil der G rreste drau en getrocknet werden Da bei 35 C Au entemperatur nur 900 kW in der Trockenbandanlage getauscht werden k nnen muss in den K hlkreis der ORC Anlage ein zus tzlicher Tischk hler integriert werden Man hat sich f r einen 600kW Tischk hler entschieden der auf das Dach des Containers gestellt wird Die Notwendigkeit des Tischk hlers besteht darin dass durch verminderte K hlleistung der Trockenbandanlage das K hlwasser f r den ORC Kondensator zu hei ist Es wird im ORC Betrieb zu jeder Zeit eine K hlwassertemperatur von maximal 73 C nach Kondensator ben tigt da sonst die Kondensation im ORC Kondensator nicht richtig funktioniert was eine Druckerh hung im DeVeiec Ethanolkreislauf des Kondensators zur Folge h tte Der Abstand von 5 Kelvin zur Ethanolkondensationstemperatur von 78 C ist f r den Kondensator je nach H he des Volumenstroms das Maximum Steigt die Temperatur des K hlwassers nachdem es den Kondensator passiert hat ber diesen kritischen Wert von 73 C schaltet sich die ORC Anlage ab Im Verlauf der Planung wurden das zweite BHKW und die Trockenbandanlage in Betrieb genommen Auf Basis dieser Messprotokolle die uns vom Betreiber zur Verf gung gestellt wurden konnten wir uns die Volumenstr me und Temperaturen erschlie en s a
19. amp Abbildung 82 Energiebilanzierung von zwei BHKWs mit ORC Technologie DeVeTec Zur Vereinfachung betrachtet man nur ein BHKW Durch die Stromproduktion stehen den Verbrauchern der Biogasanlage 15 weniger Abw rme zur Verf gung Durch die Ver nderung der Energiestr me und damit verbundenen nderungen im Temperaturniveau sinkt die Vorlauftemperatur in der Trockenanlage von 88 C auf 81 C Bei maximaler Abnahme der W rme sinkt die Temperatur nach der Trockenbandanlage von 70 C auf 65 C Vereinfachte Darstellung Abbildung 83 Vereinfachte Darstellung der Bilanzierung DeVeTec 8 DeVeiec Folgende Punkte waren f r die weitere Bearbeitung zu kl ren e Es musste sichergestellt werden dass der bereits installierte Plattenw rmetauscher bei unterschiedlichen thermischen Leistungen 340 kW zu 729 kW funktioniert Annahme Da sich die Volumenstr me nicht wesentlich ndern kann man weiterhin im PWT von einer turbulenten Str mung ausgehen der W rmetausch wird somit funktionieren zumal sich die notwendige Tauschleistung halbiert hat e Die 2 x 650 kW m ssen f r den Betrieb der Trockenbandanlage ausreichend sein vorher 2x 729 kW Annahme Nach Absprache mit dem Betreiber m ssen nicht alle G rreste getrocknet werden e Es musste mit dem Hersteller der Trockenbandanlage besprochen werden ob eine Anpassung an das ver nderte Temperaturniveau m glich ist Es stellte sich die Frage in welchen Grenzen eine Anpas
20. hlwassertemperatur anhebung bei minimaler Temperaturspreizung zwischen Vorlauf und R cklauf gelegt In Zahlen bedeutet dies dass das K hlwasser von 65 C auf 75 C angehoben werden soll Aufgrund der geringen Temperaturdifferenz von 10 Kelvin und der Anhebung der K hlwassertemperatur bis nahe an die Kondensationstemperatur von Ethanol f hrte dies zu einem relativ gro en Apparat Im Vergleich zum Kondensator aus dem Projekt Boffzen der das K hlwasser von 45 C auf 65 C anhebt sind die Beschaffungskosten des Kondensators f r Kehl doppelt so hoch wir f r den aus Boffzen bei gleicher thermischer Tauschleistung Die Abbildung zeigt die angedachte Integration der K lteabsorptionsanlage Srg kj i i K a I i Cii i v Jyosuapuny SIBayjuny Abbildung 129 Geplante K lteabsorptionsanlage DeVeTec DeVeiec Auslegen der Sicherheitsventile Die Auswahl der Sicherheitsventile h ngt im Wesentlichen von dem abzuf hrenden Massenstrom der Temperatur des Mediums und des Betriebsdrucks ab Ein weiterer Einfluss f r die Auswahl des Sicherheitsventils ist die L nge der Abblaseleitung Je l nger die Abblaseleitung ist desto h her ist der Gegendruck desto gr er muss der Ventilquerschnitt des Sicherheitsventils sein Bei dem Sicherheitsventil das zur Absicherung der Hei dampfleitung ben tigt wird spielt der Einfluss der Abblaseleitung eine untergeordnete Rolle da der ff
21. tzliche Druckluftversorgung verzichtet werden wodurch Kosten und Ausfallwahrscheinlichkeit weiter optimiert werden DeVe ec Der zurzeit verwendete 12 Zylinder V Motorblock der Firma MWM kann im Falle einer 6 2 2 Expansionsmotor auf Basis des MWM V12 notwendigen Leistungsanpassung welche nicht mithilfe eines Getriebes umgesetzt werden kann auch als 8 Zylinder V Motorblock und als 16 Zylinder V Motorblock von der Firma MWM bezogen werden Um in einem solchen Fall keine aufwendigen Neukonstruktionen durchf hren zu m ssen wurde bei der Konstruktion des 12 Zylinder V Motors darauf geachtet dass Bauteile auch f r den Einsatz an kleineren oder gr eren Motorbl cken der gleichen Baureihe einsetzbar sind Hierzu wurden alle vom Motorblock aufbauenden Geh useteile inklusive des abschlie enden Zylinderkopfes paarweise ausgef hrt Dadurch ist es m glich im Bedarfsfall je Motorseite zwei Zylinder zu reduzieren beziehungsweise um zwei Zylinder zu erweitern Die Schlossk sten dienen wie bei den Motoren auf Basis des Deutz V8 Motors auch zur Aufnahme der Dichtpackungen der Kolbenstange Die gasseitige Dichtpackung wird von oben auf den Schlosskasten montiert Der Anschluss der Leckgasleitungen erfolgt jetzt ber interne Bohrungen in den Schlossk sten an diese ein durchgehendes Sammelrohr mit speziell daf r konstruierten Holschrauben befestigt werden Das Gas kann jetzt in die Holschraube einstr men und ber das Sammelrohr
22. und Demonstrationsanlagen die f r die sp tere Markteinf hrung Entwicklung einer Testumgebung f r und Test von neuen ORC Medien Entwicklung eines Zuliefernetzwerkes im Rahmen einer standardisierten Serienfertigung f r die ORCent Module DeVe iec Im Rahmen des Feldtestprogrammes wurden mehrere Pilotanlagen mit Industrieanwendern in verschiedenen Anwendunsgsbereichen errichtet e Abgas einer Biogasanlage Projektpartner Evonik New Energies e Industrielle Abw rmenutzung in der chemischen Industrie Projektpartner Evonik Industries e Industrielle Abw rme in der Glasindustrie Projektpartner Noelle von Campe GmbH e Industrielle Abw rme in der Stahlindustrie Projektpartner Badische Stahlwerke GmbH Dabei wurden die Prozesse im Rahmen des vorgeschlagenen Projektes in den aufeinanderfolgenden Entwicklungsstufen sukzessive weiterentwickelt und verbessert Es wurde jeweils die neueste Generation des Motors in der n chsten Feldtestanlage eingesetzt In einem weiteren Teilprojekt im Rahmen des Verbundprojektes wurden neue organische Arbeitsfluide f r den von der Fa DeVeTec entwickelten Dampfexpansionsmotor zum Einsatz im Organic Rankine Cycle f r die Nutzung von Abw rmestr men in erweiterten Temperatur bereichen von 90 bis 400 C entwickelt DeVe cc 4 Wissenschaftlicher und technischer Stand an den angekn pft wurde insbesondere 4 1 Angabe bekannter Konstruktionen Verfahren und Schutzrechte die
23. Bereichs positioniert Beim Wechselvorgang des DeVeiec Mediums m ssen s mtliche elektrische Ger te spannungslos geschaltet werden und der Ventilator zur Entl ftung aktiviert sein 13 6 2 Standsicherheitsnachweis F r den Standsicherheitsnachweis muss f r den gesamten Pr fstand die Kippstabilit t belegt werden Da die Pr fzelleneinhausung vom Boden mit insgesamt 3293 mm bezogen auf die vergleichsweise kleine Grundfl che mit 2050 mm x 2000 mm sehr hoch ist muss untersucht werden ob eine Kippneigung besteht Dazu muss zuerst die Schwerpunktlage des Gesamtsystems bestimmt werden Mithilfe des CAD Computerprogramms Autodesk Inventor 2011 kann die Einzelmassen und Positionen der Komponenten der Schwerpunkt berechnet werden Abbildung 157 Lage des Schwerpunktes des Pr fstands DeVeTec Die berechnete Gesamtmasse des Pr fstands betr gt 1221 kg So ergibt sich unter der Annahme einer Erdbeschleunigung von 9 81 m s eine Gewichtskraft von 11978 N Entscheidend sind nun Hebelarme zwischen Schwerpunkt und Aufstandspunkt Kippzentrum der Rollen Rollen 776 6 mm Ansicht von unten 983 9 mm 500 5 mm 1024 5 mm Abbildung 158 Hebelarme zwischen Schwerpunkt und Rollen DeVeTec A D o I DeVe iec 204 Nun muss ein Ersatzsystem aufgestellt werden das den ung nstigsten Fall ber cksichtigt Daf r wird angenommen dass an der obersten Kante der Einhausung eine Last angreift die sich mit der Gewich
24. Fall w re Gefahren wurden die Versuche mit festem Druck Umgebungsdruck im Kondensator Bei temperaturgef hrter Kondensation Umgebungstemperatur w re der Vorteil von ORCent111 deutlich geringer gegen ber Ethanol Die hier genannten Wirkungsgrade sind absolut betrachtet oft sehr gering Dies ist drauf zur ckzuf hren dass es sich um eine Pr fstandsanlage handelt die nicht entsprechend optimiert ist Da es hier allerdings um die relative Betrachtung des Vergleichs zwischen Ethanol und ORCent111 geht spielen einzelne quantitative Wirkungsgrade keine Rolle Von Interesse sind Wirkungsgradverh ltnisse bzw verl ufe Da mit guter N herung davon ausgegangen werden kann dass sich die Wirkungsgrade jedes Mediums bei Expanderoptimierung mit demselben Faktor ndern bleibt das Wirkungsgradverh ltnis konstant Des Weiteren werden im Folgenden alle abgegebenen Leistungen der Einfachheit halber mit ihren Betr gen also nicht mit negativen Vorzeichen angegeben 14 4 1 2 Abweichungen bei gleichen Versuchsparametern Damit Versuchsergebnisse belastbar sind m ssen sie unter gleichen Bedingungen jederzeit reproduzierbar sein Allerdings wichen die Versuchsergebnisse bei Versuchsvalidierungen voneinander ab Dies ist auf viele verschiede Faktoren zur ckzuf hren die soweit bekannt in Korrektur und Optimierungsbetrachtungen ber cksichtigt und eliminiert wurden Dennoch blieben relative Fehler zueinander bis zu teilweise ca 8 bestehen
25. Im Verlaufe dieser Versuchsauswertung wird deutlich dass die Ergebnisse an vielen Stellen durch Rechnungen angepasst wurden Dies ist immer mit Abweichungen Fehlern zur Realit t belegt da nur Annahmen und Idealbetrachtungen gemacht werden k nnen Dies wird an folgendem Beispiel mehrerer durchgef hrter Versuchsl ufe besonders deutlich nderte sich w hrend eines station ren Versuchslaufs die Verdampferleistung so nderte sich folglich auch die Expanderleistung Da mit dem Wirkungsgrad das Verh ltnis zueinander gebildet wird sollte sich grob betrachtet nach Einschwingen in einen neuen station ren Zustand der gleiche Wirkungsgrad wieder ergeben Dies war jedoch nicht der Fall Die zumindest teilweise Erkl rung hierf r ist in Kap 14 4 2 1 aufgef hrt Mit den dort hergeleiteten Korrekturen konnte die Differenz allerdings nur verringert nicht ausgeglichen werden Folglich entstanden bleibende Fehler durch schwankende Verdampferleistungen DeVeiec Bekannt gewordene Probleme am Pr fstand die entsprechenden Einfluss auf die Ergebnisse haben k nnen sind in Kap 14 5 2 n her aufgef hrt Bedeutend ist hier auch dass der innere Wirkungsgrad des Expanders in der Realit t mit Druck Drehzahl und Temperatur variiert Bei Korrekturen musste dieser als konstant angenommen werden Ausrei er in den Versuchsreihen wurden bei der Auswertung au en vor gelassen Diese traten vor allem an Tagen mit Problemen am Expander hohe Reibleis
26. Kondensator eingesetzt Dieses Fl ssigkeitsreservoir ist f r den sicheren Betrieb der ORC Anlage unerl sslich Es dient unter anderem als Fl ssigkeitsvorlage f r das Pumpenmodul oder erm glicht das Anfahren des Ethanoldampfkreisprozesses in der Aufw rmphase Allerdings ist diese Bauform relativ platzraubend F r 1000 kW Tauschleistung bei einer K hlwassertemperaturanhebung von 55 auf 65 C hat der Kondensator eine Baul nge von ca 5000mm bei einer H he von 1300mm Aufgrund der beengten Platzverh ltnisse beim Kunden vor Ort ist man bestrebt die ORC Anlage auf kleinstem Raum anzubieten Als Alternative zu den Rohrb ndelw rmetauschern k nnen Plattenw rmetauscher zur Kondensation des Ethanols herangezogen werden Aufgrund der zylindrischen Bauform von Plattenw rmetauschern muss das Fl ssigkeitsreservoir in einen externen Beh lter verlagert werden Der unteren Abbildung sind die Abma se eines Plattenkondensators zu entnehmen der eine Tauschleistung von 1500 kW bei einer K hlwassertemperaturanhebung von 55 auf 65 C hat Die Baul nge betr gt 800mm bei einer Bauh he von 1200mm entscheidend ist aber die Baul nge im Vergleich zum Rohrb ndelw rmetauscher Entscheidend f r die Auswahl des Plattenw rmetauschers ist die Anforderung dass dieser einer Ethanoldampftemperatur von 300 C standhalten muss Der Ethanoldampf durchstr mt das Geh use von oben nach unten w hrend sich das kalte K hlwasser innerhalb der Platten von unten nach
27. L DEN KT AELA 1 9 A 3 fe i h En gt v A EZ Eikansi Verkamgter E U Fundamant Budenge he u 3Banxdie owl 1170 Abbildung 102 Dezentrale Anordnung Container u Verdampfer in Worms 135 Luftkondensator Container Abbildung 104 Innenansicht Container Worms Evonik 136 DeVeiec 9 3 Narminbetriebnahme 9 3 1 Allgemein Nach der T V Abnahme wurde die Anlage im Fr hjahr 2013 warm in Betrieb genommen In der Anlage waren auffallend viele Partikel eingetragen worden welche sich im Feinfilter 0 01 mm abs Korngr e abgesetzt hatten Da die Standardfilter nicht ber genug Fl che verf gten und ein Betrieb der Anlage unm glich war musste eine separate Filterstation installiert werden Erst nach wochenlangem Filtern konnte die Anlage auf den urspr nglichen Zustand zur ckgebaut und mit der Inbetriebnahme fortgef hrt werden Die Inbetriebnahme des Motors gestaltete sich als problemlos 9 3 2 Betrieb Das W rmeangebot f r den Dampfprozess steht die berwiegende Zeit nur in Teillast zur Verf gung Der Motor und die ORC Anlage wurden dahin gehend zun chst auf den Teillastbetrieb eingestellt sodass Leistungen zwischen 20 und 90 kW bei 95 kW Nennleistung gefahren wurden Der berwiegende Anteil liegt zwischen 50 und 80 kW elektrisch 9 3 3 Expander Der Expander l uft ohne gr ere Auff lligkeiten Es wurden noch keine Untersuchungen notwendig die ein Demontieren bzw
28. Schmierstoff versehen EEE 7 yo EREEE Lagergeh use a ER ib Nadellager Dichtlippe a Abbildung 51 Lagerabdichtung der Nadellager der Auslasswelle DeVeTec Das Lagergeh use wurde im Drehschiebergeh use mittels Passstiften gegen Verdrehen gesichert Des Weiteren wurden die auf der Welle schwimmenden Auslassschieber in ihrer Position gehalten Zur Auswahl des geeigneten Schmierstoffes wurde eine Versuchsreihe mit 13 verschiedenen Fetten durchgef hrt In erster Linie wurde auf die maximale Betriebstemperatur geachtet Fette welche von diesem Kriterium her schon nicht infrage kamen wurden keinen weiteren Tests unterzogen Dies trifft nicht auf die Standardfette des Lagerherstellers INA zu Als zweites Kriterium wurde das Verhalten der Fette in Verbindung mit fl ssigem Ethanol getestet Dazu wurden die Fette in einem Reagenzglas dem fl ssigen Ethanol ausgesetzt und beobachtet ob nach 24 Stunden Verf rbungen des Ethanols oder des Schmierstoffes selbst auftraten oder ob es zur Aufl sung des Schmierstoffes im Ethanol kam Abbildung 52 L slichkeitsversuche mit Fett DeVeiec Die Fette welche die Anforderungen bis dahin erf llten wurden anschlie end ber mehrere Stunden in einem Ofen einer Betriebstemperatur von 250 C ausgesetzt und es wurde die Ver nderung der Schmierstoffe w hrend dieser Zeit bez glich Farbe und Ausschwitzen beobachtet Es wurden zwei Schmierstoffe gew hlt welche in der Testapparatu
29. dass Korrosion infolge von Schwefliger S ure ausgeschlossen werden kann Diese Behauptung ist allerdings bei jeder Anlage zu berpr fen Die Gasqualit t ist normiert durch das Arbeitsblatt DVGW G 260 Gasbeschaffenheit Die G 260 legt grunds tzliche Grenzen und Bandbreiten f r verschiedene Brenngase fest Dies ist der Rahmen in dem sich der Gasversorger grunds tzlich bewegen muss Allerdings sind die Gasqualit ten des Energieversorgers meistens besser als das Arbeitsblatt vorschreibt dies gilt aber nur f r Deutschland In der unteren Abbildung sind die Gasqualit ten des Energieversorgers Badenova dargestellt Wr Jp CRE a un uam um i es gt 3 Te a Schwefelgehalt im Erdgas badenovangz Zuverl ssigkeit Tog f r Tan Sehr geehrte Damen und Herren Ihre Anfrage zum Schwefelgehalt im Erdgas das Sie aus dem Netz der badenovan tz GmbH geliefert bekommen m chten wir gern beantworten Nat rlicher Schwefelgehalt Die Anforderungen an die Qualit t von Erdgas sind im DVGW Regelwerk G 260 manifestiert Die dort genannten Grenzwerte f r Gase der 2 Gasfamilie sind Gesamtschwefel Gehalt maximal 30x 10 kg Nm Schwefelwasserstoff Gehalt maximal 5 x 10 kg Nm Mercaptanschwefel Gehalt maximal 6x 10 kg Nm Diese Grenzwerte sind Maximalwerte und werden bei unserer Erdgaslieferung an Sie einge halten und sogar deutlich unterschritten Unser Vorlieferant die terranets bw GmbH gibt
30. den eingesetzten Expander ein Sicherheitsabstand zum Nassdampfgebiet eingehalten werden soll muss Ein Rekuperator hingegen darf den Austrittstrom nat rlich immer soweit es geht abk hlen Falls aufwandstechnisch rentabel lie e sich nat rlich eine Kombination aus Druckanpassung und zus tzlichem Rekuperator einsetzen m e 7 L lt D L 9I DeVe ec 14 4 2 2 Auswertung F r die Auswertung und Gegen berstellung sind vor allem die Bestpunkte also Wirkungsgrade zu den g nstigsten Steuerzeiten interessant Alle anderen sein hier nur zur Information aufgef hrt Wurde eine Versuchseinstellung zur Validierung mehrfach gefahren sind hier die Mittelwerte aus den Versuchsl ufen genommen worden Alternativen w ren eine Worst Case Betrachtung schlechtester ORCent111 Wert amp bester Ethanol Wert oder Best Case Betrachtung bester ORCent111 Wert gt schlechtester Ethanol Wert 1 Innerer Wirkungsgrad Polytropen und Isentropenexponent Zun chst musste f r die Versuchsauswertung anhand der Rohdaten sowie der theoretischen isentropen Expanderaustrittstemperatur der jeweilige Polytropen und Isentropenexponent ermittelt werden Da gilt alR 1 Tate _ 2 nie we 14 4 2 33 ergibt sich In an 2 nK x In Ze si AREP 14 4 2 34 Der isentrope Expanderwirkungsgrad konnte anhand der Stoffdaten f r Ethanol und ORCent111 aus Druck und Temperatur vor und nach Expander ermittel
31. deutlich ber der Auslegeleistung Weiterhin sind die konstanten Randbedingungen der W rmequelle im Gegensatz zu Worms ersichtlich A E Te IL DeVeiec 11 Planung Aufbau und Inbetriebnahme der Feldtestanlage am Standort Kehl 11 1 Beschreibung der Anlage Auf dem Werksgel nde der Badischen Stahlwerke BSW GmbH ist ein ORC Dampfkreisprozess als weitere Pilotanlage des Feldtestprogramms errichtet worden Die Nutzung der Abw rme des mit Erdgas befeuerten Sto ofens soll weiter optimiert werden Die thermische Abgasenergie die nach dem Rekuperator zur Verf gung steht soll in einer ORC Anlage zur Stromerzeugung von ca 200kW eingesetzt werden Bisher wird die Abgasenergie die nach dem Rekuperator noch zur Verf gung steht ber einen Kamin an die Umgebung abgegeben Neben der elektrischen Energie soll die Abw rme des ORC Prozesses zum Betrieb einer Absorptionsk ltemaschine verwendet werden Diese K lteabsorptionsanlage ist nach jetzigem Stand noch in der Planung Der Kondensator der ORC Anlage wurde bereits f r die Anforderungen der K lteabsorptionsanlage ausgelegt Anpassung an rtliche Gegebenheiten Nach der Ofendruckregelklappe am Rekuperatorausgang sollen die Abgase ber den ORC Abgasw rmetauscher mittels Saugzuggebl se geleitet werden Nach dem die Abgase den Abgasw rmetauscher passiert haben str men diese wie bish
32. f r die Durchf hrung des Vorhabens benutzt wurden Basis f r die Entwicklung der ersten eigenen ORC Anlage Auf Basis der Erkenntnisse der ORC Demonstrationsanlage am Kraftwerk Fenne in V lklingen wurde die erste Feldtestanlage in Kirchwalsede geplant Folgende wesentliche Themenschwerpunkte standen bei der Entwicklung der ersten eigenen Feldtestanlage im Vordergrund e Realisierung einer neuen Steuerung zur Regelung des Dampfkreisprozesses in Zusammenarbeit mit der Fa HGS e nderungen der Anlagentechnik in folgenden Bereichen Pumpenstation Kondensator und Ausgleichsbeh lter Bel ftungsleitung Regelventile O O 9 0 O Rauchgasklappe e nderungen an der Expansionsmaschine Anderung der Steuerung Im Laufe des Projekts hat man sich dazu entschlossen die Steuerung mit den von der Fa DeVeTec gewonnen Erkenntnissen die man ber 2 Jahre gesammelt hatte zu erneuern Nach diversen Anfragen hat man sich f r die Fa HGS als Projektpartner entschieden die dann nach unseren Vorgaben und Regelstrategien eine vorhandene BHKW Steuerung auf unsere Bed rfnisse umprogrammiert hat Diese wurde binnen weniger Monate umgesetzt und in der Demonstrationsanlage installiert Die Schaltschr nke wurden ausgetauscht d h die S7 Steuerung wurde durch die DEIF Steuerung der Fa HGS ersetzt Nach diesem Umbau war ein automatisiertes Anfahren einzelner Betriebspunkte m glich Die vorher vereinbarten maximalen Betriebspunkte k nnen nach wie vor aus anl
33. fanden erste Gespr che mit dem Projektpartner NuvC statt Im Januar 2013 wurde mit der Detailplanung der ORC Anlage begonnen Die Planung umfasste den Heizkreislauf d h die Einbindung der ORC Anlage in den bestehen Rauchgaskanal das ORC Grundmodul dass die wesentliche Anlagentechnik enth lt und den K hlkreislauf d h die Einbindung der ORC Anlage in das bestehende Warmwassersystem der Glash tte Dar ber hinaus war eine Projektplanung n tig die beispielsweise die Zusammenarbeit der verschiedenen Abteilungen von DeVeTec GmbH NC und anderer Fremdfirmen koordinierte Zun chst wurde ein Gutachten ber m gliche S uretaupunkte im Rauchgas beauftragt dass die Grundlage f r die Verdampferauslegung und die Planung des Heizkreislaufs darstellte Das Ergebnis fiel positiv aus und stellte keine S uretaupunkte oberhalb des Wassertaupunkts fest Die folgenden Planungen und Arbeiten die den Heizkreis betreffen begannen am 28 02 2013 mit der Bestellung des Verdampfers und dauerten an bis zum Beginn der Aufbauarbeiten Gleichzeitig wurde bereits Anfang Januar mit der Planung des ORC Grundmoduls und des darin enthaltenen Prototyps eines V12 Dampfexpansionsmotors begonnen sowie mit der Planung des Dachrahmens der die Anlagenkomponenten beinhaltet die den K hlkreis betreffen Speziell die Fertigung des Expanders stellte den kritischen Pfad im Zeitplan dar d h erst nach Abschluss dieser Arbeiten am 19 07 2013 konnte mit dem A
34. gleichzeitig eine hohe Vorlauftemperatur f r den ORC Kondensator i gt 19384 Wip 365 hpm Ye aaa AA aA BHKW BHKWV2 Vi aiot Gh ok renlanf Fi hanotererdauf Abbildung 91 Energiebilanzierung der BGA im Volllastbetrieb mit ORC im Winter DeVeTec Aufgrund der niedrigeren Vorlauftemperatur der Trockenbandanlage im ORC Betrieb ist die Reduzierung der Temperaturdifferenz an der Trockenbandanlage von 23 Kelvin im Winter ohne ORC 86 C auf 63 C auf 21 Kelvin im Winter mit ORC 78 C auf 57 C unkritisch Diese Analyse war jedoch n tig da aufgrund der unz hligen Byp sse und Volumenstr me im Gesamtsystem nicht klar war wie sich die Temperaturen und Mischtemperaturen im Einzelnen verhalten Daher wurde sicherheitshalber die Gesamtanlage auch im Sommer betrachtet i 1934 Wip 365 Im Ye terre BHKW BHKWV2 W aiot Gh ok renlanf Hilhanolemeedaf Abbildung 92 Energiebilanzierung der BGA im Volllastbetrieb mit ORC im Sommer DeVeTec 125 DeVe ec Nach Analyse der Betriebszust nde wurde der Kondensator auf eine Vorlauftemperatur von 56 C ausgelegt Bei maximaler W rmetauschleistung wurde seitens des Kondensatorherstellers eine maximale R cklauftemperatur von 73 C zugelassen 8 3 Realisierung des ORC Moduls Aufgrund der beengten Platzverh ltnisse mussten alle Komponenten auf das Dach der ORC Anlage gruppiert werden DRC Kamin 3 ORC Kamin 4 Abgasw rmetauscher
35. ist jedoch nur die Solltemperatur am Expanderaustritt T203 vorgebbar Da durch Isolationsverluste zwischen Verdampfer und Expander ein wenig Temperatur verloren ging musste diese etwas h her gew hlt werden sodass sich die gew nschte Temperatur am Expander einstellte Bei diesem Versuch wurden jedoch nicht nur die drei Temperaturen gefahren sondern ebenfalls die Steuerzeiten des Expanders jeweils variiert Beim realen Expander ben tigt das ffnen und Schlie en eine gewisse Zeit au erdem sind Ein und Ausstr mvorg nge nicht ideal und reibungslos Daher k nnen die praktisch idealen ffnungs uns Schlie zeitpunkte von den theoretisch idealen abweichen Um die Einstellung f r den besten Wirkungsgrad zu finden wurde die Steuerzeit folglich variiert Die praktisch ideale Steuerzeit kann f r verschiedene Medien aufgrund des realen Verhaltes z B bez glich des Str mungs und Expansionsverhaltens leicht unterschiedlich sein Ebenso spielt der erreichbare Druck vor Expander eine Rolle Da sich Steuerzeiten auch bei realen Anlagen sp ter leicht auf das Medium anpassen lassen bot es sich an nicht gleiche Steuerzeiten miteinander zu vergleichen sondern die Bestpunkte Um belastbare Daten zu bekommen war f r jeden Versuchspunkt eine station re Betriebsdauer von ca 0 5 1 Stunde n tig Anschlie end lie en sich die Messdaten ber den DeVeiec Versuchszeitraum mitteln und ggf grafisch darstellen Ebenso wurden die Versuc
36. mit einem 35 igen Kolhelanteil Bei beiden Werkstoffen kam es zu erh htem Verschlei und zum Defekt der Dichtung w hrend der Versuche hnliche Effekte lieferten die Werkstoffe auf PEEK Basis Beim letztendlich gefundenen und eingesetzten Werkstoff konnten sowohl in der Testapparatur als auch in der Testumgebung in Fenne zufriedenstellende Ergebnisse bez glich Dichtheit und Haltbarkeit erreicht werden Ob der Werkstoff sich f r einen Dauereinsatz eignet muss w hrend eines Langzeittests bewiesen werden DeVeiec 7 Mess Steuerungs und Regelungstechnik 7 1 DEIF Delomatic Die DEIF Delomatic 4 ist ein vollst ndiges Automatisierungssystem Bei den vier bestehenden Feldtestanlagen kam jeweils diese Steuerung zum Einsatz S mtliche Steuerungs und Regelungsaufgaben sowie die Netzsynchronisierung wurden mit dieser Steuerung realisiert Besonders geeignet ist dieses System f r raue Betriebsbedingungen wodurch dieses marinezugelassene Steuerungssystem gr tenteils auf Schiffen zur Generatorsteuerung eingesetzt wird Die DEIF Delomatic 4 ist als modulare Prozesssteuerung konzipiert Somit k nnen je nach Anforderungen verschiedene Module gesteckt und somit individuell eine Steuerung aufgebaut werden Abbildung 54 Deif Delomatic 4 Neben den Steuerungsaufgaben bietet die DEIF Delomatic 4 noch folgende Features e Synchronisierung e Drehzahlregelung e Leistungsregelung mit Rampenfunktion e Spannungs und cos phi Regle
37. oben bewegt Zur besseren Dampfverteilung sind innerhalb des Geh uses Leitbleche montiert die den Dampf auch auf die u eren Platten lenken Bisher wurden Plattenw rmetauscher der Fa Alfa Laval und Vahterus eingesetzt die sich in der Praxis bereits bew hrt haben Da das Ethanol unabh ngig von der H he der Rauchgastemperatur maximal 300 C hei wird bleibt der Kondensator in seiner Materialauswahl immer gleich Kondensator Geh use f r Ethanol Maximal zul ssige Temperaturen Maximal zul ssige Dr cke Platten f r Wasser Maximal zul ssige Temperaturen Maximal zul ssige Dr cke Abbildung 24 Material Kondensator DeVeTec DeVe ec Wie bereits erw hnt wird noch ein externer Beh lter als Fl ssigkeitsvorlage ben tigt Dieser Beh lter muss unterhalb des Kondensators montiert werden damit der Kondensator nicht mit Ethanol geflutet werden kann Abbildung 25 Plattenw rmetauscher und Ausgleichsbeh lter DeVeTec amp Vahterus Diese beiden Druckger te sind aufgrund Ihrer Kompaktheit leichter unterzubringen als der l ngliche Rohrb ndelw rmetauscher Pr 4 5 Ga ARN Abbildung 26 Containerdachansicht von oben DeVeTec 44 DeVe ec 6 1 2 1 Luftkondensator f r Anwendungen ohne Wasserversorgung bzw ohne W rmenutzung Sollte f r die Abw rme aus dem ORC Prozess keine Verwendung gefunden werden empfiehlt sich der Eins
38. umweltbundesamt de sites default files medien 377 dokumente co2 _faktoren_brennstoffe xls 19 Statistisches Bundesamt Stand 05 06 2014 http de statista com statistik daten studie 38897 umfrage co2 emissionsfaktor SS RN 00 mL fuer den strommix in deutschland seit 1990 20 GEMIS Datenbank Version 4 81 Wellenreuther G Zastrow D Automatisieren mit SPS Theorie und Praxis VIEWEG TEUBNER Verlag Wiesbaden 2011 xS xS xS N m xS
39. und Reswick Zeitbasis min DeVeTec Ohne berschwingungen 20 berschwingungen St rung F hrung St rung F hrung Ko 1 50 0 94 1 89 1 50 3kg h Ki 0 33 0 05 0 50 0 06 Ka 1 17 0 88 0 79 1 48 1 31 Kp 0 53 0 33 0 66 0 53 3 kg h Ki 0 07 0 03 6 62 0 10 0 03 Ka 0 73 0 55 0 92 0 82 Wichtig war vor allem das konstante Halten der Temperatur im station ren Zustand also Gegenwirken bei St rung Zudem sollten nach M glichkeit keine berschwingungen zugelassen werden auch wenn dann die Ausregelung schneller ist da z B ein berschwingen der H chsttemperatur das Medium h tte besch digen k nnen Prozesstechnisch bedingt waren w hrend des Anfahrprozesses der Anlage Temperaturspitzen die kurzzeitig um bis zu 20 C ber der Solltemperatur lagen unvermeidbar Date Bearbeiten Ausfghren Werkzeuge Fenster Hille A i Wern MAWAOO Stellung Bypettver i 100 0 MAOI Stellung Regelventa vor Eypander 1000 MAOZ frei l o l 0 MAOS Stellung Regelvent Kohiwasser 55 5 aci Duschtlusstegeiung Medsum EF MSAN Tenperstur Soli nach Yerdampter 166 0 2 MWAOZ Tempetur in nach Verdamgler 155 ms a03 Augangtre i 00 t u t t d j i j i J 4 s 4 v u N wu Ni ee 1 O Abbildung 167 Reiter Ausgangswerte der Pr fstandsoftware DeVeTec Unter dem Reiter Ausgangswerte wurden die einzelnen Aktoren des Pr fstandes ein und ausgeschaltet Bei Bedarf musste ber 10 Magnet
40. ux 20 e v FRS6 A E fi BE 7 BI AN J B34 A o m i a m i 80 Zeit Be 100 ee J Amplitude Gj 120 i i i l i i 0 05 0 1 0 15 0 2 0 25 Zeit SE ol um Schlie en DeVe ec 104 7 2 3 3 3 Triggerung auf Referenz und Umwandlung in Winkelbereich F r die weitere Analyse und zur besseren Verwertbarkeit und Anschaulichkeit kann der aufgenommene Zeitbereich in den Winkelbereich gewandelt werden Kennt man die Position der Maschine z B oberer Totpunkt OT eines Zylinders k nnen sehr gute R ckschl sse auf einzelne Zylinder oder Ventile gezogen werden Dazu muss auf der Welle ein Referenzsignal zur Verf gung stehen Dieses Signal kann softwarem ig an jede Position verschoben werden d h die Position auf der Welle ist egal Aus den aufgezeichneten 3 Umdrehungen wird exakt eine Umdrehung herausgeschnitten 0 359 Grad Diese getriggerten Rohdaten werden dann den weiteren Auswertungen zur Verf gung gestellt A D A BD A A E 7 2 3 3 4 Allgemeine berwachung Die allgemeine Auswertung besteht darin dass herk mmliche Verfahren zur Schwingungsanalyse angewendet werden Diese sind e RMS bzw Effektivwert oder auch als Lautst rke bekannt e Amplitude bzw max Wert der Schwingung e Crest Faktor Verh ltnis der Amplitude zur Lautst rke dadurch k nnen einzelne St e besser erkannt werden Diese drei Kenngr en der Schwingung werden jeweils mit einer max einstellbaren Grenze und einer min einstell
41. vorliegenden abweichen k nnten Die ideale Steuerzeit ist abh ngig von Medium Druck Drehzahl und Temperatur Dies wird besonders in Kap 14 4 4 2 deutlich Des Weiteren ist es denkbar dass eine Anpassung des Abstandes zwischen Schlie ende des Auslasses und ffnungsbeginn des Einlasses den Wirkungsgrad variiert Dieser Abstand betrug bei den vorliegenden Versuchen immer 5 Kurbelwinkel DeVe ec Bei extremer werdenden Steuerzeiten Einlass ffnet weiter vor nach OT k nnte eine nderung der Auslasszeit gemessen in Kurbelwinkel betrug hier immer 180 KW positiven Einfluss auf den Wirkungsgrad haben Da die Auslasssteuerzeit immer parallel zur Einlasssteuerzeit verschoben werden muss Abstand E gt AS an bei OT verschiebt sich auch der ffnungsbeginn des Auslasses entsprechend um UT herum Ideal w re aber evtl diesen in der N he von UT zu belassen auch wenn der Schlie zeitpunkt bei OT variiert wird 14 4 1 6 Totvolumen Das Totvolumen im Expander war bei allen Versuchen konstant Durch Ver nderung kann der Wirkungsgrad ggf verbessert werden W re das ideale Totvolumen f r alle Versuchsreihen sowie der sich ergebene Verbesserungsfaktor f r beide Medien gleich hatte eine Abweichung auf den relativen Medienvergleich keinen Einfluss Es ist jedoch auch bei Betrachtung der Druckverl ufe im Zylinder davon auszugehen dass das ideale Totvolumen wie auch die ideale Steuerzeit abh ngig ist von Medium Druck Drehzahl un
42. weiter vor UT da dieser bei OT etwas vor dem ffnungsbeginn des Einlasses geschlossen sein soll berschneidungs und somit Verlustvermeidung und die ffnung im Auslassdrehschieber 180 betr gt Die Anpassung dieses ffnungswinkels um den unteren Totpunkt herum k nnte Wirkungsgradzuwachs bringen Doch auch hier ist eine exakte Umsetzung kaum m glich da sich mit der der Steuerzeit Medium und Temperatur andere ideale ffnungswinkel ergeben k nnten und somit der Drehschieber jedes Mal umgebaut werden m sste DeVe iec Hier sei vor allem die Unterk hlung des Fluids im Kondensator erw hnt Durch 14 5 2 6 Medienindividuelle Parametereinstellungen entsprechende Einstellungen bei der Pr fstandbedienung kann diese nahezu verhindert werden Dies ist leicht m glich war zu Beginn dieser Arbeit jedoch nicht vorgesehen 14 5 2 7 Temperatur und Druckverluste Isolationsbedingt und aufgrund von Fluidreibung in den Rohrleitungen treten Temperatur und Druckverluste im gesamten System auf Im Expanderkopf findet ein unvermeidbarer Austausch von W rme zwischen dem Frischdampf im Einlass und dem Abdampf im Auslasssystem statt Diese Verluste sind vom Massenstrom der spezifischen W rmekapazit t Str mungs und W rme bertragungsverhalten sowie ggf weiterer Eigenschaften der Medien abh ngig und daher verschieden Da der Prozesswirkungsgrad bei gleichen baulichen Bedingungen also nur Mediensubstitution verglichen werden sollen ist
43. zu erheblichen Kosten und Zeitersparnissen Die ORC Anlage besteht im Wesentlichen aus einer Speisepumpe die das auf Betriebsdruck gebrachte Medium zu einem Verdampfer pumpt Im berhitzer wird der vom Verdampfer erzeugte Nassdampf solange berhitzt bis trocken ges ttigter Dampf vorliegt In einer nachgeschalteten Dampfmaschine wird der erzeugte Dampf entspannt und die dabei freigesetzte Energie zum Antrieb eines Stromgenerators genutzt Im Anschluss str mt der Dampf in einen Kondensator Dort gibt der Dampf die Kondensationsw rme an einen K hlkreislauf ab Das Arbeitsmittel kondensiert und geht vollst ndig in den fl ssigen Aggregatzustand ber Die Arbeitsmittelpumpe bringt das Arbeitsmittel wieder auf Betriebsdruck und schlie t den Kreislauf Somit setzt sich die Anlage aus folgenden Funktionsbausteinen zusammen e Verdampfereinheit e Kondensatoreinheit e Sicherheitstechnik f r Dampf e Ethanolausgleichsbeh lter e Pumpenmodul e Expansionsmaschine mit Getriebe und Generator e Steuerungstechnik mit Einspeisemodul und Stickstofferzeugeranlage e Regelarmaturen f r Dampf e Containereinheit Zwecks Standardisierung wurde zwischen anlagenspezifischen Bauteilen und anlagenunabh ngigen Komponenten unterschieden Verdampfereinheit Kondensatoreinheit Sicherheitsventile f r Dampf und der Ethanolausgleichsbeh lter sind anlagenspezifisch und m ssen f r das jeweilige Projekt ausgelegt und angefragt werden Die restlichen Einheiten wu
44. zur Befestigung zwei gegen berliegende Pratzen Daf r musste ebenfalls ein Gestell konzipiert werden da der Verdampfer aufgrund eines Schaltkastens f r die Steuerungselektronik nicht auf den Boden gesetzt werden kann Aufgrund der aufrechten Stellung und der damit verbundenen H he des Verdampfers liegt der Schwerpunkt relativ weit ber der Bodenebene Somit muss bei eventuell auftretenden Vibrationen und damit einhergehendem Eigenschwingverhalten das Gestell mit zus tzlichen Versteifungswinkeln stabilisiert werden 199 200 Abbildung 155 Gestell f r Elektroerhitzer DeVeTec Zur besseren Visualisierung und Planbarkeit bei der Positionierung der Komponenten wurde ein CAD Modell erstellt Es beinhaltet die wesentlichen Hauptkomponenten Sofern von den Zulieferern bereitgestellt wurden fertige CAD Komponenten verwendet Dies gilt jedoch nur f r die Vakuumpumpe und den Grundmotor des Expanders F r alle weiteren Komponenten wie Speisepumpe Generator Verdampfer Kondensator Ausgleichsbeh lter Entl ftungsgebl se und K hlaggregat wurden selbst nach bestem Wissen ma stabsgetreue Modelle erstellt Die Schaltanlage zur Steuerung und Stromversorgung des Pr fstands ist als ma st blicher Quader abgebildet Im Modell nicht enthalten sind das komplexe Rohrleitungssystem sowie s mtliche Ventile und Instrumente Kondensator Ausgleichsbeh lter Sm VWerdampfer Schaltschrank _ mit PC Entl ftungs gebl se Generat
45. 0 1 und weniger als 1m die Ma nahmen F R l ergriffen werden betrifft im Fall der ORC Anlage das Ethanol Unter Punkt 3 4 der VawS der die Anforderungen an Anlagen zum Herstellen Behandeln und Verwenden regelt m ssen f r Stoffe der WGK1 mit einem Volumen von weniger als 0 1 m die Ma nahmen FotRotlo ergriffen werden betrifft im Fall der ORC Anlage das Motoren l Definition laut VawS Anforderungen an die Befestigung und Abdichtung von Bodenfl chen Fo keine weiteren Anforderungen an die Befestigung und Abdichtung der Fl che ber die betrieblichen Anforderungen an Standfestigkeit und Zug nglichkeit hinaus F wie FO aber stoffundurchl ssige dichte Fl che Anforderungen an das R ckhalteverm gen f r austretende wassergef hrdende Fl ssigkeiten Ro kein R ckhalteverm gen ber die betrieblichen Anforderungen hinaus Tropfverluste m ssen zur ckgehalten werden R R ckhalteverm gen entsprechend dem Rauminhalt wassergef hrdender Fl ssigkeiten der bis zum Wirksamwerden geeigneter Sicherheitsvorkehrungen auslaufen kann Bei Anforderungen RO sind Tropfverluste nur an Pumpen sowie an sonstigen Stellen zur ckzuhalten an denen sie bei bestimmungsgem em Betrieb zu erwarten sind Anforderungen an infrastrukturelle organisatorische oder technische Ma nahmen lo keine Anforderungen an die Infrastruktur ber die betrieblichen Anforderungen hinaus Leckagen m ssen erkannt werden k nnen l
46. 0 25 30 35 40 45 50 565 60 65 70 75 80 35 90 95 100 105 110 115 120 125 130 135 140 145 150 155 160 165 Abbildung 172 Druckverlauf im Zylinder bei 150 C Eintrittstemperatur DeVeTec In allen drei Abbildungen ist zu erkennen dass der Liefer F llungsgrad bei Ethanol h her ist als bei ORCent111 Dies l sst sich vor allem dadurch erkl ren dass bei ORCent111 der Massenstrom deutlich gr er ist als bei Ethanol Da an der Geometrie und der Drehzahl des Expanders nichts ge ndert wurde muss diese gr ere Menge in der gleichen Zeit durch die gleichen ffnungen in den Zylinder einstr men Es gilt a E a Po Pr 14 4 2 36 E Aninlasemret N PERN 14 4 2 37 Es l sst sich erkennen dass sich im Idealfall zwar die Str mungsgeschwindigkeit nicht ndert wohl aber die Dichte aufgrund des festen Volumenstromes Drehzahl und Expandergeometrie konstant und des h heren Massenstromes Nach p c 2 14 4 2 38 APyerl bedeutet dies einen h heren Druckverlust im Einlasssystem Dementsprechend kommt der Maximaldruck im Zylinder bei ORCent111 nicht so weit an den vorm Expander zur Verf gung stehenden Druck heran wie bei Ethanol Des Weiteren spielen Realfaktoren und einfl sse eine Rolle wie die Tatsache dass der Expander aufgrund der h heren Leistung bei ORCent111 etwas schneller dreht Asynchrongenerator Somit vergr ern sich der Volumendurchsatz des Expanders und folglich die Str mungsgeschwindigkeit
47. 1 2012 in Hamburg e Workshop EnEff Statusseminar Dezentrale Energiesysteme vom 16 04 bis 17 04 2012 in Erfurt e Vortrag Abw rmenutzung mit ORC Kolbenexpansionsmaschine e Der ORC Dampfexpansionsmotor wurde auf dem Forschungsstand des BWMi anl sslich der Hannover Messe 2012 in der Zeit vom 23 04 bis 27 04 2012 vorgestellt Der damalige Bundeswirtschaftsminister Dr Philip R sler lie sich den Motor anl sslich seines TUE E erkl ren eo he za k UN Abbildung 10 Dr Philip R sler mit DeVeTec Gesch ftsf hrer Michael Schmidt DeVeTec e Publikation des Feldtestprojektes in Zusammenarbeit mit dem Feldtestpartner BSW in der Brosch re des Umweltministeriums Baden W rttemberg 2013 27 DeVeiec 28 e Im Rahmen des Projektes wurden mehrere Bachelor und Masterarbeiten geschrieben amp O OU O Andreas Sch nborn Universit t Kaiserslautern Fritjof Gro Universit t Kaiserslautern Thomas Grote FH Wilhelmshaven Christoph Will Umweltcampus Birkenfeld FH Trier Tobias Schneider Umweltcampus Birkenfeld FH Trier DeVe iec 6 Ergebnisbeschreibung des Projektvorhabens in Bezug auf unterschiedliche Teilbereiche 6 1 Standortspezifische Anlagenkomponenten 6 1 1 Verdampfer 6 1 1 1 Verdampferkonzept f r den Betrieb mit schwefelhaltigen Hei gasen bis 550 C mit zwei systemunabh ngigen W rmequellen Grundanforderung und Ziele Das Verdampferkonzept ist f r die Nutzung von Abgasenergie aus Blockheiz
48. 2 3 3 8 Auswertung Treten zu viele Grenzwertverletzungen auf k nnen unterschiedlich gestaffelte Funktionen ausgel st werden e Warnung Der Benutzer bzw die bergeordnete Steuerung erh lt eine Warnmeldung DeVe ec o Steht die Warnung zu lange an erfolgt eine Abstellung e Abstellung Es wird eine normale bzw Regelabstellung angefordert d h die Maschine kann noch eine Zeit betrieben werden e Schnellstopp Die Maschine sollte unverz glich angehalten werden da entweder schon ein gro er Schaden eingetreten ist oder sich anbahnt Tritt eine Warnung oder eine Abschaltung auf so werden die aktuellen Rohdaten f r eine sp tere Analyse und die Grenzkurven abgespeichert Diese k nnen auch sofort in der Oberfl che dargestellt werden Eine zeitnahe Interpretation des Schadens oder des Ereignisses ist dadurch m glich 7 2 3 3 9 PC berwachung Watchdog Falls der Industrie PC an die Leistungsgrenzen kommt wird dieser automatisch neu gestartet Hilft diese Ma nahme nicht wird wegen fehlender berwachung die Anlage vorsorglich ausgeschaltet Dabei werden neben der CPU Auslastung auch der physikalische und dynamische Arbeitsspeicher sowie die Festplattenausnutzung berwacht Zus tzlich wird auch der Industrie PC Zustand wie L fter Festplattenzustand berpr ft TATIC DC Dogme LAIS Alarm Mirage Emitahlungen mim ran U U sun Anden Emis r 7 2 3 3 10 Archivierung Alle Trendkurven Rohdaten Grenz
49. 201 Q Medium Speisepumpe 0 1 5 I min Durchflussmenge K hlwasser nach F 301 Q_ KW Speisepumpe 0 26 I min P 206 P 207 PIZA 205 PIZA 208 PSI 209 P 211 DeVe ec ii NE F llstandssensor Ausgleichsbeh lter LSHL 201 Min Max 0 12 1 F llstandssensor Wechselbeh lter LSHL 202 Min Max iaaa BEE P el Verd Elektrische Leistung Verdampfer 0 11 KW N _ MOT Drehzahlgeber Expander P el Gen Elektrische Leistung am Generator 0 2 2 kW Ventilsteuerung Regelventil Bypass E 301 E 402 E 501 V entile X 203 Expander Ventilsteuerung Regelventil vor X 204 Expander Ventilsteuerung Kugelhahn nach X 205 Expander Ventilsteuerung Kugelhahn K hlwasser X 207 Regelung FU_Pumpe Frequenzumrichter Speisepumpe T_Soll_Verd Soll Temperatur Verdampfer T_Ist Verd Ist Temperatur Verdampfer F r die Signalerfassung der Sensoren und Steuerung der einzelnen Stellantriebe wird ein Chassis verwendet in den sich verschiedene individuell zusammengestellte Steckmodule integrieren lassen Dieses wird in den Schaltschrank des Pr fstands eingebunden u 2 E M T kj a E E a u 3 Abbildung 145 Chassis mit Einsteckmodulen der Fa National Instruments Es handelt sich dabei um Module f r die Signalerfassung von Thermoelementen 4 20 mA Analog Eingangssignale 4 20 mA Analog Ausgangssignale sowie digitale Ein und Ausgangssignale Zur Zylinderdru
50. 300 350 400 un 16 7 2 3 3 6 Teach In Anlernen In den Voruntersuchungen hat sich gezeigt dass sich die Maschine nicht bei jeder Umdrehung exakt gleich verh lt und sich die Schwingungen unterscheiden Diese Streuung muss bei der Grenzwertbildung mit ber cksichtigt werden Dadurch entstehen insbesondere bei der Zeit berwachung mehrere Tausend Grenzwerte und Grenzkurven Eine manuelle Eingabe ist deshalb nicht m glich ber wenige Parameter l sst sich die Sch rfe der DeVe 106 berwachung einstellen Die Teach in Funktion ermittelt dann bei einer v llig intakten Maschine selbstst ndig alle Grenzwerte und Grenzkurven f r jeden abgetasteten Kanal Standardm ig werden daf r 100 Umdrehungen analysiert Einzige Voraussetzung ist dass die Maschine w hrend dieser Anlernfunktion ca 500 Umdrehungen keinen Schaden erleidet 7 2 3 3 7 Trending Alle berwachten Funktionen werden in Trendkurven dargestellt Bei der Vielzahl der untersuchten Messdaten bei 1500 Umd min 2 500 Werte pro Minute w rde das schnell die Kapazit ten sprengen Deshalb werden in den Aufzeichnungen nur die maximalen Grenzwertverletzungen pro Zeitfenster z B zehn Sekunden dargestellt Dadurch erh lt man viel weniger Datenpunkte nur sechs Punkte pro Minute ohne dass Informationen verloren gehen Auch einzelne einmalige Ereignisse werden dadurch festgehalten GW Verletzungen Trending Zeit Sirgcaceceche Tale arome alal m 7 7
51. 34 Aufnahme der Laufbuchsen in der Zylinderbank DeVeTec eenen 54 Abbildung 35 ffnungen zum Druckausgleich unter den Kolben und zum Abtransport von Kondensat der Zylinderbank DeVeTec anne 54 Abbildung 36 W rmetauscher der Motor lvorw rmung DeVeTec sesessesreserrserrrserrserrrerrrsererssen 55 Abbildung 37 Externe Motor lpumpe DeVeTec 22s02020000000nsnennnnnesnnnnnennnnnnnennnnnnennenennn 56 Abbildung 38 Aufbau des EV Pr fstandes mit der Kurbelwelle dem Kolben und der Einlass Kinematik DEV CT ee ee EEE EEE Eee 57 Abbildung 39 Geh use Drehschiebersteuerung DeVeTec 02000000000000 nennen nenne nnnnne nennen 58 Abbildung 40 Drehschiebergeh use mit Schnittstelle zum Einlassrohr DeVeTec 59 Abbildung 41 Schnittstelle Auslassrohr DeVeTec 0s000200020s0 ne enennnnennnnnesnnnnennnnnennnnnennnnnnnnnn 59 Abbildung 42 Schraubenbohrungen am Drehschiebergeh use DeVeTec 0000000000ee 200 60 Abbildung 43 Abdichtung und Verschluss der Antriebsbohrung der Zylinderkopfschrauben DeVeTec ee ee ee 60 Abbildung 44 Erste Version einer Drehschieberwelle DeVeTec 0200s00000000ne nenne nnnneennnn 61 Abbildung 45 Lagerstellen am Beispiel der Auslasswelle DeVeTec 200s0000000222e nenne nennen 62 Abbildung 46 Diverse Keramikkugellager DeVeTec u0s20202000200000RRennnesn
52. Das Hauptziel des Projektes ORCent Il war es ORC Anlagen mit dem neu entwickelten ORCent Dampfexpansionsmotor im Praxiseinsatz zu erproben und Erfahrungswerte einer solchen Anlagentechnik bzgl Betriebskosten hohem Wirkungsgrad und wettbewerbsf higen Beschaffungskosten f r die Anlagen zu erlangen Dies soll beispielhaft an verschiedenen W rmestr men im Bereich industrieller Abw rme Verbrennung von Biogas und von fester Biomasse im realen Betrieb unter industriellen Einsatzbedingungen nachgewiesen werden Der Schwerpunkt des Projekts ist der Feldtest der ORCent Dampfexpansionsmotoren der die Voraussetzung f r den sp teren Betrieb dieser Technologie unter realen Bedingungen in der Industrie und in Kombination mit erneuerbaren Einsatzstoffen darstellt Da die Entwicklungen zum ORCent Prozess bei der Firma DeVeTec stattfinden wird DeVeTec die Koordination bernehmen Das Projekt soll dazu dienen das ORC Modul auf Basis des Kolbenmotors soweit zu entwickeln das nach einer entsprechenden Monitoringphase der erstellten Anlagen die Technologie zur Marktreife gebracht werden kann wobei als W rmequelle unterschiedliche Abw rmestr me aus verschiedenen technischen Prozessen dienen sollen Diese W rmestr me haben unterschiedliche Charakteristika hinsichtlich konstanter Verf gbarkeit Menge des Abgases Belastung mit Schadstoffen und Temperatur Schwerpunkte des Projekts sind die Optimierung und sukzessive Weiterentwicklung des ORCent Dampf
53. DeVeiec 14 3 1 Randbedingungen und Parametereinstellung Zur Versuchsdurchf hrung waren einige Grundeinstellungen und Parametervorgaben an der Anlage vorzunehmen Datei Besrbeten Ausigbwen Werkzeuge Fenster Hille Sar ORAL Ekpanter Trending Druckverl ufe Messwerte Ausgangswerte Status Test Automatik aistung W Dee u En PT Gystermiergeratun i EP Ai 2 ra 00 6w 100 k gt A s w f D 36 J f SS RoS EN Autoduschfluss f z 2200 o SPEI Mediendurchfiusz Lh Medium kg h pe 1200 w l a un 1400 Drenzat mans 2 03 I 39 0 J ar E 1 1 E 1600 n SPETNE Mindetemperatur Mecini Softwareveregelung 300 Drehaat l LAnin Usa rer akt 000 1000 PN 18 0 J id Hs rn5 i Gi Systenhdinsch bar SPF201 Medendnchlluss test boM ma S i j 1 35 0 W Durchflussuberwachung 35s l Verdampfer aktiv SPF MI Medenaurchlluss T Anteil e 7 0 Y j J 2 usosta x ar MENS OST Wedien pumpe Seilere ha sy PE lt ber Pumpe il Abbildung 163 Reiter Start der Pr fstandsoftware DeVeTec Unter dem Reiter Start der Pr fstandsoftware konnten Temperatur und Durchflussvorgaben gemacht werden Die Systemtemperatur SPT203 Temperatur nach Verdampfer wurde entsprechend des geplanten Versuchs eingestellt Die Eintrittstemperatur T201 am Verdampfer sollte etwa bei 21 C liegen Hierf r musste die Mindesttemperatur Medium SPT208 auf ca 17 18 C
54. Diese ist f r den dauerhaften Betrieb ausgelegt Das Zudampfventil X201 welches auch als Stellorgan f r die Drehzahlregelung Synchronisierung dient wurde deutlich im Regelverhalten verbessert In Zusammenarbeit mit dem Hersteller konnten eine Redundanz und eine Schlie zeit unter einer Sekunde realisiert werden 9 4 5 Schadensfr herkennung pr vention Motor berwachung Das eigenentwickelte System Noise and Vibration Guard liefert eine zuverl ssige akustische berwachung des Motors Dadurch k nnen einzelne oder auch schleichende Events erkannt werden DeVeiec 9 5 Messergebnisse Die Feldtestanlage Worms ist die erste Anlage die die eine stark schwankende W rmequelle aufweist An dieser Anlage soll demonstriert werden dass die ORC Anlage in der Lage ist starke Schwankungen im W rmeangebot nachzugehen Vergleich W rmequelle zu Generatorleistung Anlage Worms 100 x f a A H f IM j 4 N i l Warme angebot P kunaj a i 10 20 30 40 So u N Bu Lautzeit h Abbildung 105 Vergleich W rmequelle zu elektrischer Leistung DeVeTec Im dargestellten Diagramm ist deutlich zu erkennen wie die elektrische Leistung fast ohne Zeitverzug dem W rmeangebot nachf hrt Das W rmeangebot steht max 3000 h a zur Verf gung und w hrend dieser Zeit deutlich unter der ausgelegten Menge Bei vollem W rmeangebot werden max 95 kW in elektrische Energie umgesetzt Das folgende Diagramm ze
55. ECO II Abgasw rmetauscher ECO A fung bblaseleitun Abgasw rmetauscher ECO Il Abgasw rmetauscher ECO I 516 Ej m PAN win wenn al 2 Asa Fu raum all PIT TTT T TTT TT TTT TTT TTT ei Plattenw rmetauscher il N N zur Ethanolvorw rmung Ausgleichsbeh lter 9125 Abbildung 93 ORC Modul DeVeTec Das ORC Modul ist lokal in zwei Bereiche aufgeteilt den Bereich im Container und den Bereich oberhalb des Containers Du Tu DeVeiec Bereich im Container Das ORC Modul besteht aus einem umgebauten 30 Fu Container dessen Breite und H he nicht dem 30 Fu Normcontainer entsprechen F r die Unterbringung des ORC Expanders wurden nderungen in den Dimensionen notwendig Der Container hat eine Sonderbreite von 3130 und eine Sonderh he von 2591mm L fter I A A 1 50 Luffwechselzahl liegt Schallschutzkulisse Zuluft u a LE k Schhaltfschrankbereich P aj m E S Doppelsteckdage neben der T r Fumpenbereich Doppelsteckdose A neben der T r ORL Bereich Abbildung 94 Aufbau Container DeVeTec Die Apparate f r den ORC Prozess befinden sich mit Ausnahme der Ethanolpumpe auf dem Container w hrend sich die Komponenten zur Stromerzeugung im Container befinden Durch die doppelst ckige Bauweise werden die Leitungswege kurz gehalten und die ben tigte Bodenfl che entspricht der Containergrundfl che Der Container ist in einen Schaltschrank einen Pum
56. Es k nnen bis zu 16 Verbindungen zu anderen Zentralbaugruppen aufgebaut werden und zus tzlich haben die PN CPU s noch weitere acht Verbindungen f r TCP IP UDP oder ISO on TCP zur Verf gung Der Adressbereich f r Ein und Ausg nge betr gt bei der CPU 315 2KB was umgerechnet 16 348 digitalen Ein und Ausg ngen entspricht Die Bearbeitungszeit von Bin rbefehlen betr gt 5Ons Durch diesen breiten Performance Bereich ist die S7 300 CPU der meistverkaufte Controller innerhalb von Totally Integrated Automation Abbildung 56 CPU 315F 2PN DP 7 1 2 2 Safety Integrated Im Gegensatz zur normalen CPU 315 2PN DP bietet die CPU 315F 2PN DP integrierte Sicherheitsfunktionen Sie erf llt die Sicherheitsanforderungen bis SIL 3 nach IEC 61508 und PL e nach ISO 13849 1 Die F CPUs erm glichen den Aufbau eines fehlersicheren Automatisierungssystems f r Anlagen mit erh hten Sicherheitsanforderungen Durch den Einsatz einer fehlersicheren CPU kann auf die Verwendung von Sicherheitsschaltger ten verzichtet werden Somit wird die standard und sicherheitsgerichtete Automatisierung in einem Controller implementiert Die sicherheitsgerichteten Steuerungen berwachen sich selbstst ndig erkennen eigenst ndig Fehler und gehen unmittelbar bei Auftreten eines Fehlers in einen sicheren Zustand ber oder verbleiben in diesem Die Signalbaugruppen beispielsweise berpr fen durch regelm ige Selbsttests Befehlstests sowie logische und zeitliche P
57. Expanderleistung beeinflusst Dies wird auch deutlich wenn man bedenkt dass wie beschrieben ein bar unten schwerer wiegt als ein bar oben Da jedoch der Umgebungsdruck etwas schwankt wurde der Absolutdruck im Vorlagebeh lter auf einen festen Wert normiert Um diesen Korrekturbetrag wurde in der Betrachtung dann auch der Austrittsdruck am Expander ge ndert Paus korr PausR Pux E Pur 14 4 2 8 4 Drehzahl Die Bemessungsdrehzahl des Generators und in der Folge auch des direkt angekoppelten Expanders betr gt 1000 min Da es sich jedoch um einen Asynchrongenerator handelt weicht die Drehzahl im Gegensatz zu einem Synchrongenerator in Abh ngigkeit von der Last etwas davon ab Die Abweichung geht je nach Belastungsrichtung Motor oder Generatorbetrieb nach unten bzw oben Die abweichende Drehzahl hat bei konstantem F llvolumen pro Umdrehung jedoch einen ver nderten Volumenstrom zur Folge Da der Massenstrom aber bei sonst konstanten Parametern gleich bleiben muss ndern sich Dichte und Druck des Mediums am Expandereintritt p V m R T const 14 4 2 9 Es folgt daraus Peinkorr _ FR u Vzyl NR p s r nR o g Feinkorr FeinKR Pein R Vy Fzyl ny NN 14 4 2 10 DeVe iec 5 Druck am Expandereintritt Aufgrund der vorherigen Punkte muss der Eintrittsdruck am Expander korrigiert werden Dies muss in folgender Reihenfolge erfolgen a Druck nderung aufgrund der Leistung
58. F 2PN DP Profinet ET2005 Pumpenraum ET2005 K hlkreis ET2005 Heizkreis ZA IF tates a Abbildung 65 Topologie vorher Abbildung 66 Topologie nachher DeVeiec Der ganzen Prozesssteuerung ist das Levelkonzept berlagert Die einzelnen Prozesse 7 1 4 Levelkonzept werden in verschiedene Betriebslevel unterteilt und nacheinander aufgerufen Die Steuerung strebt immer danach den Volllastbetrieb zu erreichen Bei diesem Versuch orientiert sie sich an den einzelnen Betriebslevel Ein niedriger Level reduziert die Betriebsm glichkeiten st rker als ein h herer Level Bei Level 9 ist der Betrieb am Netz mit voller Leistung zugelassen Wie eine Schrittkette werden die Level nacheinander abgearbeitet Dabei m ssen unterschiedliche bergangsbedingungen erf llt sein Wird eine Bedingung nicht erf llt kann die Schrittkette nicht fortfahren und verharrt so lange in dem jeweiligen Level bis die Bedingung erf llt oder die Timeout Zeit abgelaufen ist Wie die Betriebslevel und die bergangsbedingungen es deuten lassen ist die ORC Anlage f r den Betrieb ohne Beaufsichtigung vorgesehen und programmiert Dabei werden nach dem Systemstart die Level O bis 10 durchlaufen Durch den sehr tr gen Prozess kann diese Prozedur jedoch bis zu zwei Stunden andauern Danach geht die Anlage automatisch in den Netzparallelbetrieb ber und speist so elektrische Energie ins Netz ein Erst bei einem eintretenden F
59. Forschungsvorhaben EnEff W rme ORCent Dampfexpansionsmotor f r die Nutzung niedertemperierter W rmestr me Phase 2 Feldtest F rderkennzeichen 0327436D Laufzeit 11 2009 04 2014 Abschlussbericht Zuwendungsgeber Gef rdert vom Bundesministerium f r Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages Zuwendungsempf nger DeVeTec GmbH Altenkesselerstrasse 17 D2 66115 Saarbr cken Tel 49 681 830 788 O Fax 49 681 830 788 12 www devetec de Projektleiter Herr Michael Schmidt Die Verantwortung f r den Inhalt dieser Ver ffentlichung liegt beim Autor Saarbr cken im Juni 2014 DeVe ec Feldversuch ORCent Gef rdert von AR Bundesministerium ERS f r Wirtschaft und Energie Projektpartner steag steag evon k InnwsT i eN NOELLE CAMPE O BSW Koordiniert vom Projekttr ger J lich Forschungszentrum J lich STEAG New Energies GmbH St Johanner Stra e 101 66115 Saarbr cken STEAG Cordes Bioenergie GmbH St Johanner Stra e 101 66115 Saarbr cken Evonik Industries Rheingewannweg 10 67547 Worms Noelle von Campe Glash tte GmbH Sollingstra e 14 37691 Boffzen Badische Stahlwerke GmbH Graudenzer Stra e 45 77694 Kehl DeVeiec Inhaltsverzeichnis ABDILGUNESYERZEICHAIS ae ea ee 7 TaBEIENVERZEICHNI een ee nen 13 1 Aufgabenstellung Projektvorhaben u ssnun nn 14 2 Voraussetzungen unter denen das Vorhaben dur
60. Leitung an der Pumpe vorbei ist angebracht und kann am mechanisch bet tigten Kugelhahn ge ffnet werden Ein elektrischer Druckschalter PSI 209 erfasst den aktuellen Wert Wird ein vorab eingestellter Schwellenwert erreicht wird das angeschlossene Magnetventil bet tigt und die Pumpe aktiviert Die Hysterese des Druckschalters ist sehr gering und kann konfiguriert werden Ein Druckw chter PIZA 208 schaltet die Anlage ab sollte ein Wert ber 15 bar im Druckbeh lter erreicht werden Zus tzlich ffnet ein Sicherheitsventil V 214 das ebenfalls auf 20 bar eingestellt ist 13 2 3 8 Wechselsystem Das Wechselsystem dient dem Austausch der verschiedenen Arbeitsmedien f r die jeweilige Versuchsdurchf hrung Das Medium soll dabei m glichst restlos aus dem gesamten System entfernt werden k nnen damit eine Verf lschung der Ergebnisse beim n chsten Test mit einem anderen Medium entgegen gewirkt werden kann Au erdem soll das Medium nach M glichkeit nicht an die Umwelt abgegeben werden um das Risiko einer Gesundheitsgef hrdung oder hnliches zu reduzieren Zus tzlich wird die Anlage nach jedem Versuch mit Stickstoff inertisiert sodass eine Durchsp lung in den Aggregaten und Rohrleitungen erfolgt a Be aA Wechselbeah nter Abbildung 141 Wechselsystem als R amp I Schaubild DeVeTec Wie in vorstehender Abbildung zu sehen ist kann der Wechselbeh lter durch ein spezielles Kupplungssystem an die Leitungen angeschlossen werden
61. Pe 0 7 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 73 80 85 90 95 100 Zeit Amplitude Zeit Unterschied zu Ventilaufsetzzeitpunkt Messreihe 2 Messreihe 1 unter 0 09 ms quasi 0 und damit gleich DeN elec 7 2 3 Softwareentwicklung Aufgrund der guten Ergebnisse in der Voruntersuchung wurde eine spezielle Software im eigenen Haus entwickelt Die Vorteile liegen darin dass dies bedarfsgerecht eingesetzt werden kann Die bisherigen Systeme am Markt k nnen die m glichen Schadensf lle gar nicht oder nur zu einem geringen Teil erkennen und sind eher f r Pr fst nde als f r Maschinen im Feldeinsatz konzipiert Die weitreichende Erfahrung im Programmieren mit LabVIEW von National Instruments bewegte die DeVeTec dazu eine eigene L sung zu entwickeln die in Zukunft jeden Motor zu wirtschaftlich vertretbaren Preisen berwachen kann Des Weiteren kann diese L sung auch au erhalb der eigenen berwachung von Maschinen eingesetzt werden z B bei Kolbenkompressoren Verdichtern Getriebe etc Als Name wurde die Bezeichnung Noise and Vibration Guard NVG gew hlt 7 2 3 1 Grundmodul Das Grundmodul NVG 7 1 besteht aus e Datenerfassung von sieben berwachten Kan len e Ein Triggerkanal zur Drehzahlbestimmung und Referenzpunktbestimmung e Vier pot freie Ausg nge f r Lifebit Warnung Regelabstellung und Schnellstopp e Sieben robuste Schwingungssensoren e Ein Industrie PC Schaltschrankeinbau mit Watchdogfunktio
62. Pumpe ist es ebenfalls m glich den Schmier lkreislauf bereits vor dem Start des Expansionsmotors zu betreiben und damit die zu schmierenden Stellen der Kurbelwelle und Nockenwellen mit ldruck zu versorgen was sich positiv auf die Haltbarkeit der Lagerstellen auswirkt Die verbaute Schmier lpumpe sorgt des Weiteren f r den f r den Transport des Motor ls durch den beschriebenen W rmetauscher und ist somit auch Teil der Motor lvorw rmung Abbildung 37 Externe Motor lpumpe DeVeTec DeVeiec 6 2 2 3 Einlasskinematik Pr fstand Weiterentwicklung Einlassventil Es wurde ein Pr fstand entwickelt der den genauen Hubverlauf des MWM 12 Zylinder Grundmotors nachbildet Ziel sollte sein die dynamischen Bewegungen der Einlassventilkomponenten insbesondere Ventil und Ventilfeder genauestens zu untersuchen Im Ventilbereich ist ein im Prinzip aufgeschnittener Zylinderkopf montiert der es bei Drehzahlen von 1000 1 min mithilfe der Stroboskoplampe erm glicht genau Bewegungen und Eigenfrequenzen der Komponenten zu erkennen Abbildung 38 Aufbau des EV Pr fstandes mit der Kurbelwelle dem Kolben und der Einlass Kinematik DeVeTec Um dies zu realisieren und mit den auftretenden Fliehkr ften der bewegten Bauteile zurechtzukommen hat man eine Zweizylinder Boxer Kurbelwelle entworfen die die originale Kreuzkopfbewegung nachbildet Auf den Kreuzkopf Dummys sind Originalkolben montiert die das Einlassventil bet tigen Hie
63. R FIT FIT IT IEITI FIT t28 Abbildung 166 Sprungantwort 3 kg h DeVeTec Aus den Sprungantworten k nnen f r die Parameterbestimmung folgende Werte abgelesen werden Ks Verst rkungsfaktor Temperaturdifferenz der Sprungantwort geteilt durch Sprungh he des Massenstromes Tua Totzeit bis der Kurvenverlauf sich nach nderung des Massenstromes beginnt zu ndern A O T E IL DeVe ec Tg Ausgleichszeit Sie wird ermittelt durch Anlegen der Wendetangente an die Kurve der Sprungantwort Die Zeit zwischen Ende der Totzeit und dem Schnittpunkt der Wendetangente mit der sich einstellenden Endtemperatur wird Ausgleichszeit genannt Tabelle 10 Parameter der Verdampfer Sprungantworten DeVeTec Sprung k C kg h Tul min T min 3 kg h 6 50 1 87 19 13 3 kg h 7 17 3 31 13 64 Die unterschiedlichen Verst rkungsfaktoren lassen sich auf u ere Einfl sse wie eine leicht schwankende Verdampferleistung zur ck f hren Die Abweichung liegt jedoch im tolerierbaren Rahmen Die Unterschiede bei den Zeitkonstanten liegen an dem ungleichen Verhalten des Systems je nach Sprungrichtung Somit ergaben sich auch unterschiedliche Einstellwerte f r den PID Regler je nach Regelrichtung Da dies im vorliegenden Fall nicht verwirklicht und nur ein Parametersatz vorgegeben werden konnte wurde der gew hlt der sich in der Praxis als g nstiger erwies bzw passende Werte dazwischen Tabelle 11 PID Reglerparameter nach Chien Hrones
64. Velec als auch Fluideigenschaften welche sich auf Basis der ORCent Technologie ergaben n chsten Schritt wurden sowohl Modifikationen bestehender ORC Arbeitsmedien als auch die Dortmunder Datenbank nach geeigneten alternativen Arbeitsmedien analysiert Die definierten Anforderungen wurden von neun Fluiden in einem ausreichenden Ma erf llt Diese Medien wurden anschlie end auf ihre thermische und zyklische Stabilit t bei unterschiedlichen Temperaturniveaus und Versuchslaufzeiten hin untersucht Dabei zeigte sich dass die zuvor identifizierten Fluide lediglich bei Temperaturen von lt 200 C dauerstabil waren wodurch der im Projektantrag adressierte Temperaturbereich eingeschr nkt wurde Die Stabilit tsversuche wurden durch Korrosionsversuche und Dauerstabilit tsversuche erg nzt welche eine Dauer von zwei Monaten aufwiesen Sowohl ORCENT111 als auch ORCENT129 erwiesen sich als thermisch stabil und zu einem tolerierbaren Ma korrosiv Aufgrund des h heren theoretischen Wirkungsgrads wurde ORCENT111 schlie lich am Medienpr fstand der Fa DeVeTec experimentell untersucht Dabei wurde im Vergleich zur Verwendung von Ethanol als ORC Arbeitsmedium im Bereich der Verdampfertemperatur von 130 150 C ein um 170 197 erh hter Wirkungsgrad erzielt Die kologische Betrachtung hat gezeigt dass die Verwendung von ORCENT111 anstelle von Ethanol aufgrund dieses hohen Wirkungsgrades kologisch deutlich vorteilhafter ist ORCENT111 bietet f r N
65. WM V12 uessseseessnsssnesnsssnesnnnnnnsnnnnnennnnnnsnnnnnnesnenennn 53 6 3 DEEHSCHIEDErSTENETUNG een ee ernennen 58 6 3 1 FURKLIONS DEINZ ID ee ee ee ee ee ee er 58 6 3 2 Geh use der Drehschiebersteuerung 220002200s0snnnnnnnnnnnnennnnnnennnnnnnennnnsnennnnsnensnenn 58 6 3 3 TOLL JUMIVeRStEe UNO ee ee ee 60 6 3 4 Wellen der Drehschiebersteuerung 2220s22220000200nnennnnnennnnnnennnnnnensnnnnnnsnnnnnennnnnnn 61 6 3 5 DIE I ee ee ee 69 7 Mess Steuerungs und Regelungstechnik ss22220002200000nnnnnnnnnnnnnennnnnnnnnnnnnnnsnnnnnennnnnnensnnnn 71 71 DEIE DEION IS EIG ine ee a ee 71 7 1 2 Automatisier ngslosung u 74 7 1 3 TOPOIO O a ee 83 7 1 4 LEVO e ee ee Tee ee 85 7 2 Noise Vibration Guard Schadensfr herkennung uuuueeeeessessnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnneeeeeennnnnnnnen 90 7 2 1 VOrDEMEL KUNE ee ee 90 DeVe cc 7 2 2 Voruntersuchungen am Standort Worms sessssssssesesrressrreresrrrsssrersserresrrerssrereserersseerese 90 1 2 3 SOILWATSEHLWICK UNO ee ee see nee 102 7 2 4 CEDI EO ar er ee en 108 7 2 5 ee re 110 7 3 Betrieb ohne Beaufsichtigung sessessseensssreresrcrsssrererrrrrssreresrrressreressreessrereserersseeresereesseeee 111 8 Planung Aufbau und Inbetriebnahme der Feldtestanlage am Standort Kirchwalsede 112 8 1 Beschreibung Qer ANA 112 8 2 Auslegung der Anlage necsenesenuresesrerureresuererureresunserureresanrersreresunserururerunsersrereruner
66. agentechnischen Gr nden nicht angefahren werden Nach erfolgreicher Umsetzung wurde bereits die Steuerung f r die ORC Anlage in Kirchwalsede geplant und realisiert Die Anlagen in Worms und Boffzen bauen ebenfalls auf dieser Steuerung auf DeVeTec Fenne TEST BETRIEB Testhetrieb Gesamt bersicht im Detall bersicht Schema Elektrische Navigator Me werte bersicht E Abbildung 5 DEIF Steuerung am Standort Fenne DeVeTec Anderungen der Anlagentechnik im Bereich Pumpenstation Die Pumpenstation der Demonstrationsanlage besteht aus einem Vorfilter und einer Hochdruckpumpe die im Zulaufbetrieb gefahren wird Die Hochdruckpumpe ist eine Mehrkolbenaxialpumpe die einen Mindestvordruck von 2bar g ben tigt Durch den Vorfilter und die geringe Zulaufh he werden max 10 des Vordrucks erreicht Langfristig wird die Pumpe infolge von Kavitation an den Kolben Schaden nehmen Daher hat man sich f r zuk nftige Anlagen daf r entschieden die Pumpenstation mit einer Vorf rderpumpe und einer Hochdruckpumpe auszustatten 21 DeVeiec 22 Anderungen am Kondensator mit integriertem Fl ssigkeitsbeh lter Der Kondensator der Demonstrationsanlage ist ein Rohrb ndelw rmetauscher mit integrierter Fl ssigkeitsvorlage f r die Hochdruckpumpe Allerdings ist das Volumen f r den fehlerfreien Betrieb der Anlage unterdimensioniert da im Betrieb der Anlage ein Gro teil des Ethanols im Umlauf ist und somit der Fl ssi
67. akuumpumpe werden das Rohrsystem und der Ausgleichsbeh lter entl ftet was die Bef llung erleichtert Wenn durch alle Ger te eine positive R ckmeldung der Betriebsparameter erfolgt kann mit der Aufheizung des Wassers bei moderaten Temperaturen und Dr cken etwa 200 C bei 2 bar begonnen werden Der Elektro Erhitzer Verdampfer darf aber erst eingeschaltet werden wenn ein Medienstrom durch den Verdampfer gew hrleistet ist Die Leistungszunahme bei der Erhitzung soll nach Herstellervorgaben in 10 Schritten erfolgen Weiterhin ist auf die Temperatur berwachung zu achten Der K hlkreislauf ist dabei aktiv Der Ventilator saugt die Pr fzellenluft ab Die gr te Schwierigkeit besteht bei der Feinabstimmung der Regler im Automatikmodus von LabVIEW Geregelt werden die Temperatur am Verdampferaustritt T 203 ber die Verdampferleistung und die Temperatur am Kondensatoraustritt ber die Durchflussmenge des K hlwassers im K hlaggregat Die Druckregelung erfolgt ber die Ventilstellung des Bypassventils V 203 Der Durchfluss wird mit einem Frequenzumrichter zur Drehzahlregelung der Speisepumpe erm glicht Um den optimalen Kompromiss zwischen Schnelligkeit und Genauigkeit ohne gro en berschwinger der Regelgr en zu erhalten m ssen die PID Anteile bestm glich angepasst werden In den folgenden Abbildungen sind die ersten Kurven bei Inbetriebnahme des Pr fstandes abgebildet Hierbei entspricht jeder Datenpunkt einer Messung im Zeitabs
68. all jedoch wird der Verdampfer rein elektrisch betrieben Elektroerhitzer Der Verdampfer wird in vertikaler Lage betrieben was den Bauraum der Pr fzelleneinhausung nach oben sehr hoch werden l sst Das Medium wird durch Heizst be auf bis zu 450 C erhitzt Die elektrische Leistung betr gt maximal 11 kW Der Verdampfer besitzt einen eigenen Schaltschrank der sp ter in die Pr fstandsteuerung integriert werden muss Weiterhin verf gt der Verdampfer einen berhitzungsschutz der beim berschreiten einer eingestellten Grenztemperatur zur Abschaltung der Verdampfunsseinheit f hrt In folgender Tabelle sind die Betriebsparameter aufgelistet Tabelle 2 Parameter Verdampfer DeVeTec Temperatur Eintritt max 250 C Temperatur Austritt max 450 C Elektrische Leistung 11 kW Massenstrom min 20 kg h Werkstoff Edelstahl 1 4571 13 2 3 3 Expansionsmaschine Als Expansionsmaschine zur Entspannung des hochtemperierten und unter Druck stehenden Fluides dient ein Dampfkolbenmotor Die Basis daf r bietet ein handels blicher Bootsdieselmotor mit zwei in Reihe stehenden Zylindern F r den Betrieb als Dampfmotor muss der Motor komplett umgebaut werden Diese Arbeit wurde von DeVeTec durchgef hrt Dazu wird der Grundmotor komplett demontiert und nicht ben tigte Anbauteile entfernt Es werden lediglich das Kurbelgeh use die Kurbelwelle die Lagerschalen und die lpumpe weiter verwendet Es m ssen sowohl neue Laufbuchsen als auch die passende
69. angaben meist bei ca 18 KWK Betrieb 80 C Wassertemperatur am Kondensatoraustritt Diese ORC Systeme werden blicherweise indirekt ber einen Thermo l Zwischenkreislauf beheizt Das Thermo l muss hierbei auf etwa 320 C erw rmt werden bedingt durch das f r diese Prozesse gew hlte ORC Medium Bei den bekannten Prozessen wird als organisches Medium meist ein K ltemittel Hexan Toluol oder eine andere Fluorkohlenwasserstoffverbindung eingesetzt Der DeVeTec Prozess nutzt als organisches Medium Ethanol DeVeiec Ein Vergleich mit heute genutzten organischen Medien bei ORC Turbinenl sungen mit dem Einsatz von Ethanol bei der ORC Kolbenmaschine zeigt dass ein deutlich h heres Enthalpie Gef lle ausgenutzt werden kann was zu einer gr eren Ausbeute an elektrischer Energie bei gleicher W rmeeinsatzmenge f hrt Carnot Prozess Grundlage des ORC Kreisprozesses z ORC Prozess Verdr nger A E m T B Bud E L Kreisprozess 5 Dampfmotor S Verdr nger i 4 Entropie Smin max Abbildung 2 Grundprinzip ORC Kolbenmaschine DeVeTec Carnot Prozess Grundlage des ORC Kreisprozesses 2 klassischer ORC Turbine T P w i u E Tmax u c 4 D 2 h i E a _ ne 4 o RealerProzess P z Turbine 4 gt 2 W rmeenergle bertrag 2 im Aekuperator T W 0 gt 5 232 gt regenerieren Entropie Smir Smax Abbildung 3 Grun
70. ar ist und auf Ausstellungen pr sentiert werden kann Der Bodenabstand ist dadurch ausreichend dass die Gabeln eines Gabelstaplers unter den Rahmen greifen k nnen Somit ist eine kompakte Bauweise notwendig was den Anschaffungskosten zus tzlich zugutekommt Als begehbarer Boden wurde ein Tr nenblech aus Aluminium der Dicke 3 5 5 mm ausgew hlt Abbildung 152 zeigt den Grundtr ger als CAD Baugruppe Abbildung 152 Grundtr ger in CAD DeVeTec Die Einhausung des Pr fstandes beinhaltet die f r den ORC Prozess notwendigen Komponenten Davon ausgenommen werden die Schaltschr nke f r Verdampfer und Pr fstandsteuerung sowie der K hlkreislauf nach Kondensator mit dem K hlaggregat Als problematisch anzusehen ist der aufrecht stehende Verdampfer mit einer Gesamth he von DeVeiec 2722 mm Die H he der Au enkante des Aufbaus wurde auf 3000 mm festgesetzt Aufgrund dessen ist die Einhausung zweiteilig in Form einer bei zwei Meter H he abnehmbaren Haube gestaltet Zur optimalen Zug nglichkeit wurden vier Eingangst ren in die Einhausung integriert In den T ren und den Frontfl chen sowie der Decke der Haube sind Acrylglasscheiben der Dicke 4 mm eingefasst Normalerweise neigt Kunststoff bei Fl chen dieser Gr e zum Funkenschlag Bei diesem Acrylglas handelt es sich jedoch um ESD electro static discharge f higes Material So kann bei einer eventuell auftretenden explosionsf higen Atmosph re einer Funkenentwicklu
71. arme Ethanol str mt nachdem es den Plattenw rmetauscher passiert hat in den Vorw rmer der das Ethanol weiter erhitzt Das erhitzte Ethanol str mt wieder in den Plattenw rmetauscher und wird abgek hlt Die W rme die das Abk hlen freisetzt wird f r das Erw rmen des Ethanols ben tigt Nachdem das warme Ethanol den Plattenw rmetauscher passiert hat gelangt es in die eigentliche Verdampfereinheit bestehend aus Verdampfer und berhitzer Das 3 2 Wegeventil dient zur Regelung der Ethanoltemperatur an der Verdampfer und Erhitzereinheit denn auch an dieser Einheit darf die Ethanoltemperatur nicht unter die Mindesttemperatur fallen da sonst die Gefahr der Korrosion infolge der Schwefligen S ure auftritt Ein Nachteil dieser integrierten Bauweise mit unterschiedlichen Heizpaketen in einem W rmetauscher ist die Bauh he F r die 800kW Tauschleistung hat der W rmetauscher eine H he von zehn Metern A da Je nach Aufstellungssituation kann es notwendig sein den W rmetauscher zweiteilig Abbildung 13 Rauchgasw rmetauscher DeVeTec auszuf hren um gewisse Bauh hen einzuhalten Auf der oberen Abbildung ist der W rmetauscher in zwei Funktionseinheiten unterteilt ECOI ist der Verdampfer mit integrierter berhitzung und ECOII wird zusammen mit dem schematisch gezeichneten Plattenw rmetauscher f r die Ethanolvorw rmung genutzt Abbildung 14 Zweiteiliger W rmetauscher mit Ethanolvorw rmung DeVeTec Du
72. asf rmige Stickstoff Ethanol Gemisch ber die Beatmunsgsleitung entweichen kann Diese Funktion wurde nachtr glich in die Steuerung eingebunden und war in Ihrer Ausf hrung mangelhaft da nicht ausgeschlossen werden konnte dass bei ge ffnetem Ventil DeVe ec Sauerstoff ins geschlossene System eindringt Diese Sicherheitsl cke wurde aber bei allen zuk nftigen Anlagen durch die Verwendung eines berstr mers behoben Bei Druckanstieg im Kondensator ffnet ein pneumatisches Ventil das den Weg zum berstr mer freigibt Nach dem berstr mer f hrt eine Beatmungsleitung nach drau en Der Atex gepr fte berstr mer ffnet bereits bei einem berdruck von 100 mbar und l sst nur eine Str mungsrichtung zu Somit ist immer gew hrleistet dass keine Umgebungsluft in den Kondensator eindringen kann Zur besseren Trennung des Stickstoff Ethanol Gemischs wurde eine Trennkammer entwickelt die das im Stickstoff gel ste Ethanol besser trennt damit weniger Ethanol ber die Beatmungsleitung entweicht Abbildung 8 Trennkammer f r zuk nftige Anlagen DeVeTec nderung der Regelventile Zur Steuerung des Dampfkreisprozesses gibt es ein Dampfregelventil f r den Bypass und ein Zudampfregelventil f r den Expander Diese Ventile m ssen im geschlossenen Zustand absolut dicht sein da sonst der Ethanoldampf an den Leckagestellen der Ventile vorbei in das Rohrleitungssystem des Expanders gelangt und an den kalten Wandungen konden
73. atgl ser lag die Grenztemperatur f r die Ausbildung eines kompakten kristallinen Belages je nach Untersuchungsmethode zwischen 500 C Rheometer und 650 C Erhitzungsmikroskop Durch die Versuche mit dem W rme bertr gertestmodul konnte best tigt werden dass bei Temperaturen oberhalb von 660 C ein kompakter Belag aufw chst der auch mit einem mechanischen Abreinigungssystem nicht mehr entfernt werden kann Unterhalb von 630 C ndert sich die Konsistenz des Belages sodass eine wirkungsvolle Reinigung erm glicht wird Als praktikabel hat sich im Versuch eine Pressluftlanze erwiesen sodass in einer Anlage ein Lanzenbl ser ausreichen w rde und auf eine aufwendige Kugelregenanlage verzichtet werden kann Das Reinigungsintervall ist an den Verschmutzungsgrad anzupassen und wird voraussichtlich zwischen einmal pro Tag und einmal pro Woche liegen wenn die maximale Abgastemperatur von ca 600 C nicht berschritten wird Als Werkstoff f r einen W rme bertr ger ist f r einen Einsatz im oberen Temperaturbereich ein CrNi Stahl 1 4541 alternativ auch 1 4828 vorzuziehen Bei niedrigeren Temperaturen haben auch die untersuchten Cr St hle noch eine ausreichend gute Korrosionsbest ndigkeit Selbst f r den niedrig legierten Werkstoff 1 5415 15Mo3 kann noch eine Standzeit von mehr als f nf Jahren erwartet werden Das zweite Verbundprojekt Entwicklung neuer Arbeitsfluide f r den ORCent Dampfexpansionsmotor zur Nutzung industrielle
74. ativ komplizierten Geometrien von W rmetauschern nicht allgemeiner Stand der Technik war Ein weiterer Nachteil von SiC ist seine Korrosionsanf lligkeit insbesondere bei Anwesenheit von Wasser Beschichtungen die diese Korrosion verhindern sollen sind in der Entwicklung aber noch nicht ausreichend getestet worden sodass noch keine belastbaren Aussagen ber deren Langzeitbest ndigkeit unter Betriebsbedingungen vorliegen Die Spr digkeit von SiC kann weitere Probleme im Praxisbetrieb verursachen Beim Design eines SiC Plattenw rmetauschers m ssen daher die Platten entsprechend dick ausgelegt werden womit die gute W rmeleitf higkeit des Materials teilweise kompensiert wird Die Reinigung wird sowohl im Prozess als auch ausgebaut als schwierig betrachtet weil sich die Borate sehr fest mit Keramik oder Metall verbinden F r den Temperaturbereich unterhalb 500 C standen daher technische L sungen f r W rmetauscher zur Verf gung die aber den besonders korrosiven Bedingungen in den Abgasstr men von Glasschmelzwannen noch angepasst werden m ssen Folgendes Ergebnis und Fazit kann aus dem Teilprojekt gezogen werden DeVe ec F r Borsilicatgl ser k nnen W rme bertr ger im Abgas eingesetzt werden wenn die kritische Temperatur f r die Ausbildung eines kristallinen Belages nicht berschritten und eine quasikontinuierliche oder periodische Reinigung des W rme bertr gers gew hrleistet ist Im Fall der untersuchten Borsilic
75. ator elektrische Energie ins Netz Um diesen Vorgang durchzuf hren bedarf es mehreren Messungen Daher ist das SCM Modul in der Lage Strom Frequenz Wirkleistung Blindleistung den Phasenwinkel und Spannungen bis zu 690V AC zu messen Diese Messwerte werden dem Hauptsteuerungsmodul dem PCM Modul einmal pro Periode zur Verf gung gestellt Dort werden wiederum weitere Schutzfunktionen Trending s und Logging s durchgef hrt Weiter ist das SCM Modul in der Lage einen unabh ngigen Synchron Check durchzuf hren Es kann den Leistungsschalter ausl sen und wertet dessen R ckmeldungen aus DeVeiec Das IOM Modul bildet die Schnittstelle zur dezentralen Peripherie Es ist ein Multifunktions 7 1 1 3 IOM Modul E A Baustein und dient dem Anschluss verschiedener Sensortypen und anderen Feldger ten ber Digital und Analogsignale kann der Datenaustausch zu anderen Systemen hergestellt werden Das IOM Modul bietet e Sechs Eing nge f r Pt100 oder Pt1000 Sensoren in 2 3 oder 4 Drahttechnik oder Thermoelemente Typ K NiCr Ni e Vier analoge Eing nge von 20mA bis 20mA mit 12 Bit Aufl sung e Vier analoge Ausg nge f r Messumformsignale oder Sollwertsignale Ausgangsbereich von 20mA bis 20mA mit 10 Bit Aufl sung zum Anschluss von Drehzahlreglern Spannungsreglern oder Frequenzumrichter e Zw lf digitale Eing nge von 9V bis 36V DC mit gemeinsamem Fu punkt f r plus oder minusschaltende Sensoren e Vier einzeln galvanisch g
76. atz eines Luftkondensators Auf der unteren Abbildung ist dieser mit einer W rmetauschleistung von 800 kW gezeigt dessen drei Ventilatoren die Luft von unten ansaugen und nach oben aussto en Innerhalb des Kondensators str mt der Ethanoldampf seitlich von oben in das Geh use und tritt fl ssig am unteren seitlichen Stutzen wieder aus Wegen der Abk hlung des Ethanols wird der Kondensator im Kreuzstrom betrieben Das setzt voraus dass der Luftstrom von unten nach oben verl uft da das kondensierte Ethanol in Richtung der Schwerkraft nach unten abtropft und sich am tiefsten Punkt sammelt Durch die Anordnung der Ventilatoren auf der Seite der erw rmten Luft ist die Temperaturerh hung begrenzt da sonst die Elektromotoren wegen der erh hten Temperaturbelastung ausfallen k nnten Aus Gr nden der Sicherheit hat man darauf verzichtet die Ventilatoren auf der kalten Saugseite zu installieren da bei einem Defekt des K hlk rpers fl ssiges Ethanol auf die Antriebsmotoren der Ventilatoren tropfen und unter Umst nden zum Brand f hren k nnte Aufgrund der schlechten W rme bertragung eines gasf rmigen Mediums Luft auf ein fl ssiges Medium Ethanol und der Tatsache dass die Lufttemperatur nur um 10 20 Kelvin erh ht werden kann hat zur Folge dass der Luftkondensator in seinen Abma sen relativ gro ist Der in Worms eingesetzte Kondensator ist 6 Meter lang 2 Meter breit und 3 Meter hoch Der hohe Luftmassendurchsatz erfordert eine entsprechen
77. baren Grenze verglichen Die H ufigkeit der Grenzwertverletzungen ist ein Ma f r die Abschalt und Warnstrategien Dadurch dass auch minimale Grenzwerte berwacht werden werden auch Sensorausf lle oder alterungen und Kabelbr che erkannt was f r einen Dauerbetrieb enorm wichtig ist GW Verletzungen Trending Allgemein RMS CREST AMP u 50 OT Ref AN 4 Motormitte N v J A AN 30 7 ASA A S J AS IV 3 lt 20 B12 FM m 10 J B56 A DEEA EAE EEEE EEE EEE EEEE EE LET Zeit B Lj n un 01 46 45 06 00 00 09 00 00 TR SEEN Amplitude ir Zeit 17 06 2014 17 06 2014 17 06 2014 17 06 2014 Ja 7 2 3 3 5 Zeit berwachung In der Zeit berwachung wird das Schwingungsmuster der Maschine besonders auf das zeitliche Eintreten berwacht Durch die Triggerung auf einen Referenzpunkt m ssen bei einer gleich arbeitenden Maschine die Ereignisse immer zur gleichen Zeit und mit gleicher Intensit t auftreten Es existieren laute und leise Bereiche Verschieben sich Ereignisse z B Ventile schlie en nicht mehr schnell genug weil die Feder defekt ist oder das Auslassspiel zu gro wird wird dies sehr gut mit dieser Methode erkannt Signalverlaufsgraph_G W Verletzung Zeits gnal_1_Kanal g grap g g 40 Motormitte N J W V i zZ y 39 GW Verletzung J Grenzwert pom 20 a eR Q 3 10 i AAT E 0 CAP k Amplitude Bjr 10 70 30 Sub_Vi_Dauer z i 7 i i T 7 i Schl ie en 0 50 100 150 200 250
78. berwachung durch selbstt tige St rmeldeeinrichtungen in Verbindung mit st ndig besetzter Betriebsst tte oder berwachung mittels regelm iger Kontrollg nge sowie Aufzeichnung der Abweichungen vom bestimmungsgem en Betrieb Soweit erforderlich sind Ma nahmen nach 8 25 Abs 3 WG 8 8 VAwS zu veranlassen 7 Bef llen der Anlage Es wurde spezielle Betriebsanweisungen zum Bef llen und Entleeren verfasst Die Anlage kann an einem Stutzen der in der N he des Verdampfers liegt bef llt werden Ein weiterer F llstutzen ist im Container im Bereich der Ethanolpumpe vorgesehen Das Ethanol wird in 200 Liter F ssern angeliefert Beim F llvorgang mittels einer daf r vorgesehenen Fasspumpe steht das Fass auf einer Auffangwanne Es wurde spezielle Betriebsanweisungen verfasst ON DeVeiec 164 nderungen an der Pumpeneinheit Das Pumpenmodul besteht wie bei allen ORC Anlagen aus einer Vorf rderpumpe und einer Hochdruckpumpe Die Vorf rderpumpe sorgt f r den Vordruck der Hochdruckpumpe damit an dieser keine Sch den durch Kavitation auftreten k nnen Die Vorf rderpumpe ist im Vergleich zur Mehrkolbenmembranhochdruckpumpe eine Kreiselpumpe die keine hohen NPSH Werte erfordert Da die Kondensation von Ethanol nahezu bei Umgebungsdruck stattfindet gibt es im Rohleitungssystem zwischen Kondensator und Pumpenstation keinen berdruck Deshalb werden im Regelfall der Kondensator und der Ausgleichsbeh lter auf das Contain
79. bl ses nach ORC W rmetauscher im Betrieb Es gilt mit dem Saugzuggebl se zwei Extremf lle abzubilden wobei in beiden Extremf llen das System stabil laufen soll Bei der Auslegung des Saugzuggebl ses soll die Klappe X 104 nicht ber cksichtigt werden Lastfall A Im Lastfall A sind die Abgastemperaturen relativ gering wodurch der komplette Abgasvolumenstrom angesaugt werden muss damit der ORC W rmetauscher seine vorgegebene Leistung erreicht Lastfall B Im Lastfall B sind die Abgastemperaturen relativ hoch wodurch nur ein Teil des Abgasvolumenstroms angesaugt werden darf da sonst u a die Abgastemperaturen nach dem ORC W rmetauscher zu hoch w ren und somit das Saugzuggebl se gef hrden k nnten max zul ssige Temperatur Lastfall 3 19 000 11 000 ohne Sicherheit Nm h zu berwindender Druckverlust W rmetauscher AP 7 mbar saugseitig Druckverlust Rohrleitungssystem Rohrleitungssystem Rohrleitungsl ngen siehe 4 2 Abbildung 127 Anforderungen Saugzuggebl se DeVeTec gt NIJD s ala a v amp N N gt eb o 8 S c Q o l2 amp on 2 gt 9 Q D 5 O S als c am dp 3 N amp D 07 par gt O 3 Dee Spezifikation des Frischluftgebl ses Das Frischluftgebl se hat zwei Funktionen zu erf llen Wenn die ORC Anlage nicht im Betrieb ist dient das Frischluftgebl se als Sperrluftgebl se und sorgt daf r dass kein Abgas ber die Leckagestell
80. bung eine Neuheitsrecherche f r die Drehschiebersteuerung durchgef hrt Es wurde kein entsprechendes Patent gefunden dass einer Patentanmeldung entgegenstehen w rde Daraufhin wurde eine Patentschrift erstellt und diese 2011 bei Patentamt eingereicht 15 2 Wirtschaftliche Erfolgsaussichten nach Projektende 15 2 1 Wirtschaftlichkeitsbetrachtung einer ORC Anlage Die Wirtschaftlichkeit einer ORC Anlage ist projektspezifisch zu ermitteln Neben der zur Verf gung stehenden thermischen Prim renergie und der daraus resultierenden Energieerzeugung spielen insbesondere die Gegebenheiten vor Ort eine entscheidende Rolle F r die Betriebskosten liegen aktuell nur Sch tzwerte vor Eine genaue Datenerfassung mit Prognose f r ein marktreifes Produkt wird bis zum Jahresende erarbeitet 41 DeVeiec 256 15 2 2 CO gt Bilanz einer ORC Anlage Die CO Substitution einer ORC Anlage wird ma geblich durch die Kennzahlen der zur Verf gung stehenden thermischen Prim renergie und der resultierenden Energieerzeugung beeinflusst Insbesondere die abgenommene Nutzw rme zur Substitution von fossilen Energietr gern ist stark von den Gegebenheiten des jeweiligen Projektes abh ngig Aus diesem Grund k nnen keinen pauschalisierten Aussagen getroffen werden Im Folgenden werden die CO gt Einsparungen am Beispiel der ORC Anlage Standort Boffzen dargestellt Die dort vorliegenden Bedingungen entsprechen den Zielgr en eines V12 Expanders unter Einsat
81. chgef hrt wurde 220s2222200020ssneennnnneeennn 14 3 Planung und Ablauf des Vorhabens 2222022222000200nnen nennen nnnnnnennnnnnennnnnnnnsnnnnnnnnnnsnennnnsnnnsnnnn 18 4 Wissenschaftlicher und technischer Stand an den angekn pft wurde insbesondere 20 4 1 Angabe bekannter Konstruktionen Verfahren und Schutzrechte die f r die Durchf hrung des Vorhabens benutzt wurden 2222222200sssnnnnnnnnnnnnennnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnssnsnnnnennnnnnen 20 5 Zusammenarbeit mit anderen Stellen ss 202002020000020000nnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnssnnnnn 27 6 _Ergebnisbeschreibung des Projektvorhabens in Bezug auf unterschiedliche Teilbereiche 29 6 1 Standortspezifische Anlagenkomponenten ess222ssssnssseesnnnsnensnennnnnnnnnnennnnnnnnsnensnennnsnensnenn 29 6 1 1 VEGA ee ee 29 6 1 2 KONOCHSALOT anne ee ee seele ee re 43 6 1 3 Abgask hlung zur Senkung der max zul ssigen Hei gastemperaturen zwecks Senkung der Verdampfermaterialkosten und der Lieferzeit durch Verwendung handels blicher Materia ea 46 6 2 Standardisierte Containervariationen f hren zu erheblichen Kosten und Zeitersparnissen E E A E A E E 48 6 2 1 Eigenes Stickstofferzeugungsmodul zur kontinuierlichen Inertisierung der Anlage bei gleichzeitiger Verwendung als Steuerdruck f r die pneumatischen Dampfventile 52 6 2 2 Expansionsmotor auf Basis des M
82. choben hat Einlassventil A4 SF 10 I apo 7 T Grenzwertverletzungen gt Schnellstopp lank A links Grenriae ve 400 verschlebung Aufsetzzeitpunkt 200 Ad Schnellstopp Fenna 10 01 2014 11 44 Uhr 300 In diesem Beispiel hat sich wieder ein Defekt im Einlassorgan gezeigt 7 2 5 Fazit Die Schwingungs berwachung mittels des selbst entwickelten Noise and Vibration Guards ist ein probates und wirtschaftlich vertretbares Mittel um die Maschine auf pl tzliche oder schleichende Ereignisse zu berwachen Es k nnen kosteng nstige aber dennoch robuste und langlebige Schwingungssensoren eingesetzt werden Ein Ausfall der Sensoren oder Sensoren mit eingeschr nkter Funktionalit t k nnen gut und sicher erkannt werden Durch die einfache Handhabung k nnen weitere Marktfelder erschlossen werden Du 1 7 u SS DeVeiec Alle Anlagen k nnen ohne Beaufsichtigung und ohne Zeitbeschr nkung betrieben werden 7 3 Betrieb ohne Beaufsichtigung Gemeinsam mit dem T V wurden die Anlagen so konzipiert dass Sie sich im Gefahrenfall selbst in den sicheren Zustand versetzen k nnen Alle Anlagen werden als Gesamteinheit vom T V auf Funktion und Sicherheit gepr ft Des Weiteren ist es wichtig dass die Anlagen sich an die Gegebenheiten der Abw rmequelle anpassen k nnen d h steht ausreichend W rme zur Verf gung startet sich die Anlage automatisch Wenn es abzusehen ist dass die W rme in kurzer Zeit
83. ck Max 20 bar Werkstoff Edelstahl 1 4571 13 2 3 6 K hlkreislauf Der K hlkreislauf ist f r den Abtransport der aus der Kondensation aufgenommenen W rmemenge zust ndig Neben dem bereits erl uterten Kondensator sind ein Fl ssigkeitsk hler sowie ein W rmemengenz hler notwendig Abbildung 138 K hlkreislauf im R amp I Schaubild DeVeTec W rmemengenz hler Fl ssigkeitsk hler 13 2 3 6 1 Fl ssigkeitsk hler Der Fl ssigkeitsk hler h lt den K hlwasserstrom auf einem definierten Temperaturniveau Dieses hat eine Temperaturdifferenz von etwa 5 C Das Wasser wird im K hler mit einem durch einen Ventilator erzeugten Luftstrom gek hlt Die maximale K hlleistung des Aggregats soll 9 kW betragen Eine Pumpe die den K hlwasserstrom zirkulieren l sst ist in dem Ger t integriert Folgende Tabelle enth lt die Betriebsparameter des ausgew hlten Fl ssigkeitsk hlers Tabelle 5 Prozessdaten Fl ssigkeitsk hler DeVeTec 9 kW 1560 I h 4200 m 3 h Bypass im Fl ssigkeitskreislauf integriert Ebenso ist ein interner Bypass im K hler vorhanden Zur Regelung des K hlwasserstroms wird ein Regelventil V 207 ben tigt das den Massenstrom auf ein Minimum begrenzen kann Es handelt sich dabei um einen regelbaren Kugelhahn mit einer speziellen Kugelgeometrie 13 2 3 6 2 W rmemengenz hler Der W rmemengenz hler ist ein Komplettsystem bestehend aus einem Durchflusssensor zwei gepaarten Temperaturf h
84. ckausgleichsbohrung an den Lagerstellen angebracht um einen Differenzdruck zwischen Lagerinnenraum und der Druckkammer des Geh uses und eine sich aus dieser Druckdifferenz ergebende Str mung von Ethanoldampf durch das Lager zu vermeiden Dieser Dichtungstyp wies durch seine hohe Steifigkeit und die dadurch resultierende hohe Anpresskraft einen starken Verschlei auf Die zweite Variante der Dichtungen setzt sich aus zwei metallischen Drehteilen und einer PTFE Dichtlippe zusammen Die beiden Metallteile wurden ineinander gepresst und klemmen so die Dichtlippe fest ein Um ein L sen der Klemmverbindung zwischen den Metallteilen zu vermeiden wurden sie an der F gekante mit Schwei punkten gesichert EEE Du 7 Dichtlippe Abbildung 49 Zweite Variante der Lagerdichtungen DeVeTec Beim Zusammenbau konnte nun die Dichtung in das Geh use eingepresst werden und bedarf keiner gesonderten Verdrehsicherung Die Druckausgleichsbohrung wurde aus der Vorg ngervariante bernommen Abbildung 50 Lagerdichtung am Beispiel Mittellager Einlasswelle DeVeTec Diese Dichtungen kamen an allen Lagerstellen zum Einsatz und haben sich bei den bisherigen Versuchsl ufen bew hrt Bei der Wahl der W lzlager wurde wenn m glich auf Nadellager zur ckgegriffen da diese bei im Vergleich zu Kugellagern einer h heren Belastung standhalten Auch diese wurden mit den von DeVeTec konstruierten und gefertigten Dichtungen ausgestattet und mit dem gew hlten
85. ckinduzierung wird ein weiteres Modul ben tigt das eine schnellere Abtastrate unterst tzt 13 4 1 Temperaturmessung Die Temperaturmessung erfolgt mit Thermoelementen vom Typ K NiCr Ni Sie haben einen maximalen Messbereich von 200 bis 1372 C Das Messprinzip beruht auf einem Seebeck Effekt Die Einbindung in die Rohrleitungen ist aufgrund der hohen Druckverh ltnisse als schwierig anzusehen Jedoch gibt es Hersteller die sich darauf spezialisiert haben Thermoelemente f r hohe Druck und Temperaturniveaus f r den Einbau in Schneidring T Verschraubungen herzustellen F r den Einsatz der beiden Sicherheitstemperaturbegrenzern TZA 204 und 209 m ssen nach DIN EN 14597 spezielle Widerstandsthermometer PT100 verwendet werden damit eine SIL Zulassung safety integry level besteht Diese sind nach bestimmten Bedingungen und Vorschriften gepr ft und zertifiziert 13 4 2 Druckmessung F r die Druckmessung im Kreislauf werden Drucksensoren verschiedener Messbereiche verwendet um die Messungenauigkeiten gering zu halten Da die Sensoren jedoch nur geringen Temperaturen bis ca 120 C standhalten muss eine K hlstrecke zwischen Sensor und Messpunkt eingef gt werden Die Druckmessung wird dadurch nicht beeinflusst Weiterhin werden Piezodruckaufnehmer f r die Zylinderdruckinduzierung im Zylinderkopf des Dampfexpanders integriert 13 4 3 Durchflussmessung Neben der bereits beschriebenen magnetisch induktiven Durchflussmessung im K h
86. d Temperatur 14 4 1 7 Druck und Temperaturverluste in der Anlage Da Ethanol und ORCent111 unterschiedliche Massenstr me und Stoffwerte Temperatur bertragung Str mungsverhalten aufweisen sind die Druck und Temperatur W rmeverluste unterschiedlich Diese Unterschiede brauchen f r die Versuchsauswertung jedoch nicht weiter betrachtet oder korrigiert werden da sie ein Teil des Ergebnisses darstellen Es sollen schlie lich beide Medien unter gleichen Anlagenbedingungen getestet werden um so die Prozessverbesserung ausschlie lich bei Substitution zu ermitteln N N DeVe ec 14 4 2 Thermischer Wirkungsgrad F r die Betrachtung des thermischen Wirkungsgrads ist die sog Gasleistung bei Kolbenmaschinen auch indizierte Leistung genannt also die innere Leistung des Expanders von prim rem Interesse Diese ber cksichtigt den Prozesswirkungsgrad sowie den inneren Wirkungsgrad des Expanders jedoch nicht den Maschinenwirkungsgrad Reibung sowie elektrischen Wirkungsgrad Kupferverluste im Generator etc Die erbrachte Arbeit eines Taktes und Zylinders leitet sich wie folgt her MW beitstakt Zee 2 5 Pa u Agolben t5 Pa i Viuh 14 4 1 Bei dem Druck pa handelt es sich um den berdruck im Zylinder zum unter dem Kolben liegenden Raum Dort sollte der gleiche Druck wie im Auslasssystem herrschen Aufgrund des Expansionsvorgangs ist f r den Druck der Mitteldruck einzusetzen Die Software berechnet die eingeschlossene Fl c
87. de Betriebszust nde liegen bei industriellen Prozessen und bei Abw rmestr men jedoch sehr h ufig vor Bei Schraubenmotoren sind die Wirkungsgrade in der Regel nicht befriedigend da man hier die Problematik der Spaltverluste bei den Schraubenkomponenten hat Der DeVeTec Ansatz ist weiterhin dadurch gekennzeichnet dass das organische Medium direkt verdampft wird und somit die Anzahl der Bauteile f r eine ORC Anlage reduziert werden kann 17 DeVe iec 18 ORC Turbine ORCent ats arerame ee Folgende Komponenten k nnen beim Einsatz der ORCent Technologie mit Direktverdampfung und Kolbenmotor entfallen Thermo lkreislauf Rekuperator Vorw rmer 3 Planung und Ablauf des Vorhabens Im Rahmen des Projektes d h von November 2009 bis Februar 2014 wurden neben den weiteren Systemoptimierungsarbeiten an der ORC Technologie speziell dem Motor vier Feldtestanlagen in unterschiedlichen Industrien aufgebaut Folgende Aufgabenstellungen wurden dabei im Rahmen des Projektes bearbeitet 1 Dauerbetrieb der Anlagen zur Erh hung der Systemzuverl ssigkeit der Standzeit und des Wirkungsgrades bei W rmestr men unterschiedlicher Qualit t Kontinuit t Temperatur Schadstoffbelastung Ermittlung und Optimierung von Investitions und Betriebskosten Entwicklung eines universell einsetzbaren betriebssicheren Prozesses f r unterschiedliche Betriebsbedingungen Aufbau von Referenz
88. de L fterleistung von bis zu 30 kW was in der Wirtschaftlichkeitsberechnung ber cksichtigt werden muss A 5 DeN elec 6 1 3 Abgask hlung zur Senkung der max zul ssigen Hei gastemperaturen zwecks Senkung der Verdampfermaterialkosten und der Lieferzeit durch Verwendung handels blicher Materialien Die Auswahl der Materialien f r den Verdampfer h ngt in erster Linie von den zul ssigen Dr cken und Temperaturen ab Bei der ORC Anwendung liegt der maximal zul ssige Druck bisher bei 40 bar g und wird aus heutiger Sicht bei der Anwendung mit Ethanol als Tr germedium beibehalten werden In Bezug auf die bisherigen ORC Anlagen variieren die Rauchgastemperaturen je nach Industrieanwendung zwischen 250 und 600 C In Abh ngigkeit der maximal zul ssigen Temperaturen kann der Verdampfer in verschiedene Materialgruppen einsortiert werden Speziell die Verf gbarkeit spielt eine besondere Rolle da die Auslegung des Abgasw rmetauschers den Gro teil der Planungsleistung ausmacht Bevor dieser ausgelegt werden kann m ssen folgende Informationen zur Verf gung gestellt werden e Abgasvolumenstrom in Abh ngigkeit der Temperatur im Zeitraum ber mehrere Tage Sollten diese Informationen nicht vorliegen m ssen Messungen in Auftrag gegeben werden was zu weiterem Zeitverzug f hren kann e Minimale Abgastemperatur Es muss zusammen mit dem Betreiber der Industrieanlage gekl rt werden inwieweit das Abgas abgek hlt werden
89. de eine gr ere Kreiselpumpe ausgew hlt wodurch nderungen am standardisierten Pumpenmodul notwendig wurden Planung der Ethanolleitung zwischen ORC Verdampfer und Container Aufgrund der gro en Entfernung zwischen ORC Verdampfer und Container mussten alle Rohrleitungsverl ufe f r den Rohrleitungsbauer skizziert werden Die Besonderheit lag darin dass die Rohrleitungen durch zwei Geb ude und an einem Geb ude vorbei verlegt werden mussten Es gab allerdings nur f r ein Geb ude bestehende Aufrisszeichnungen Daher hat man sich entschlossen die rtlichkeiten nur so genau wie n tig im CAD abzubilden Es wurden bewusst nicht alle St rkanten ins Modell aufgenommen da dies den Planungsaufwand unn tig aufgebl ht h tte Man hat sich mit dem Rohrleitungsbauer dahin gehend geeinigt dass auf Basis der 3D Skizze die Rohrleitungen geplant und budgetiert werden sollten Die 3D Modelle wurden ebenfalls dem Rohrleitungsbauer berlassen Sollten sich bei der Montage vor Ort Zusatzb gen im Rohrleitungsverlauf ergeben die nicht im 3D ber cksichtigt waren werden diese gesondert berechnet Folgende Skizzen wurden zur Fertigung der Rohrleitungen dem Rohrleitungsbauer zur Verf gung gestellt Rohrveriuuf unterhalb der Lip 206 R ag rrinna mit DNBE PNRB4 penugend Abstand Get le in Atg num Mmuerwerk Verd At Klenmem cer Hader umama der Trennung de dst obere Tel ges Geb udes an das dia Rohrhaler geschweilit werden alle in Tig Verda
90. den Dabei war vor allem der Leistungsvergleich bei gleichem Druck interessant Hier musste der im vorherigen Kapitel erw hnte steuerzeitensprung beachtet werden F r diesen Versuch wurde die Anlage zun chst wie zuvor in den station ren Zustand bei sich einstellendem maximalem Druck gebracht Von diesem Betriebspunkt aus wurde dann der Solldruck SPP205 der Anlage schrittweise abgesenkt wobei zwischen den Schritten das Erreichen des Solldrucks sowie das Einpendeln der Leistung abgewartet wurden Den Druck regelte die Anlage ber das Bypassventil V X 203 Jede Druckstufe wurde zwecks Mittelwertbildung im station ren Zustand ca 0 5 1 Stunde gefahren Die Daten wurden wie gewohnt automatisch aufgezeichnet und konnten so dargestellt und ausgewertet werden Da hier ein unbekannter Teil des Massenstromes ber den Bypass abflie t war keine Aussage mehr ber einen Wirkungsgrad m glich Dieser Versuch diente lediglich der Gegen berstellung der Gasleistungen bei gleicher Temperatur und gleichem Druck 14 3 5 Temperaturuntergrenze F r die Medien insbesondere ORCent111 sollte die Untergrenze der Temperatur am Expandereintritt gefunden werden Diese liegt dort wo die Leistung der Wirkungsgrad des Expanders in Relation zum Verlauf zwischen 130 und 150 C signifikant einzubrechen beginnt bzw keine nennenswerte Leistung mehr erbracht wird Bei tiefen Temperaturen musste dazu teilweise der Druck ber das Bypassventil V X 203 gesenk
91. dend f r den Betrieb der Kunststoffe ist allerdings der sogenannte p v Wert Dieser Wert ist ein Produkt aus der maximal erlaubten Fl chenpressung und der maximal erlaubten Gleitgeschwindigkeit Hochleistungskunststoffe k nnen dauerhaft einen p v Wert von 3 5 N mm m s bis 4 N mm m s ertragen Diese Werte sind allerdings wiederrum abh ngig von der Temperatur welche an der Dichtstelle ebenfalls an die Einsatzgrenzen von Kunststoffen reicht Da mit der Gleitgeschwindigkeit am Einlassschieber ein Faktor v des p v Wertes sehr hoch ist musste bei der Konstruktion der Dichtungen darauf geachtet werden unter den gegebenen Platzbedingungen eine m glichst gro e Kontaktfl che zwischen Dichtung und Schieber zu realisieren Je gr er diese Kontaktfl che ist um so kleiner wird der Faktor der Fl chenpressung p und damit auch der vorliegende p v Wert an sich Die Kraft welche die Fl chenpressung zwischen Schieber und Dichtung verursacht resultiert aus dem Zylinderdruck und der Fl che unter der Dichtung welche vom Zylinderdruck belastet wird Dadurch ist die Kraft auf die Dichtung die Fl chenpressung zwischen Dichtung und Schieber und somit auch der p v Wert an der Dichtstelle eine Funktion des Zylinderdrucks DeVe cc Um den maximalen p v Wert nicht zu bertreffen darf die Fl chenpressung also maximal 0 34 N mm betragen Wenn man nun davon ausgeht dass der Druck an der Dichstelle linear ber den Dichtspalt abgebaut wird um z
92. densfr herkennung Insbesondere sind hier Sch den die nicht unmittelbar mit der abgegebenen Leistung zusammenh ngen schwierig zu erkennen Eine M glichkeit bietet sich in der akustischen berwachung der Maschine Hierzu z hlt insbesondere die K rperschallanalyse weil jede Bewegung eine Schwingung verursacht Die am freien Markt angebotenen Systeme der Firmen Bruel und Kjaer Deif GET Redant und Reilhofer zeigten sich f r unser System als nicht zuverl ssig und in der Regel nicht wirtschaftlich f r einen dauerhaften Einsatz Da die Maschinen nicht ohne berwachung in den Betrieb ohne Beaufsichtigung berf hrt werden sollten wurde entschlossen ein eigenes System zu entwickeln das allen Anforderungen gen gt 7 2 2 Voruntersuchungen am Standort Worms 7 2 2 1 bersicht Da am Standort Worms der Motor als Erstes ohne Beaufsichtigung laufen sollte wurde dieser Motor als Grundlage f r die Untersuchungen und f r die Entwicklung der Motor berwachung per K rperschall gew hlt Der Motor wurde mit unterschiedlichen z T hochsensiblen Beschleunigungssensoren ausgestattet Die Messdaten wurden ungefiltert und mit hoher Abtastrate abgespeichert um m glichst viele Daten und Informationen zu erhalten F r die Entwicklung wurde in der Voruntersuchung nur der Zylinder Al untersucht da eine Untersuchung f r alle Zylinder den messtechnischen Rahmen gesprengt h tte Zylinderk pfe Bank A Abbildung 67 V8 Motor mit
93. der kann aber nur bedingt eingesetzt werden In den amp T s Diagrammen ist dies aufgrund des inneren Wirkungsgrades zu erkennen 23 d U DeVe ec N Ideal betrachtet stellt die mittlere Steigung der polytropen Expansion den polytropen Wirkungsgrad dar Dies ergibt sich aus der Definition von isentropem und polytropem Wirkungsgrad Ah dh N Ah Ip dh 14 4 2 30 Im Idealfall verschiebt sich der Expansionsverlauf im T s Diagramm bei Druckerh hung parallel nach links der polytrope Wirkungsgrad bleibt konstant Vergleicht man hier in beiden F llen Ethanol und ORCent111 die Steigung der Taulinie und die der polytropen Expansion miteinander so wird besonders bei ORCent111 deutlich dass aus dem Nassdampfgebiet heraus entspannt werden m sste um am Ende der Entspannung genau auf der Taulinie zu enden Dies praktisch kaum m glich Damit der Prozess bis zur Entspannung auf die Taulinie ablaufen k nnte m sste nicht nur der Druck angehoben werden sondern auch die Expansion steiler also mit besserem inneren polytropen Wirkungsgrad ablaufen Au erdem gilt On K i 14 4 2 31 Der polytrope Wirkungsgrad beschreibt die thermodynamische G te der Maschine Im Idealfall ist er konstant und nur abh ngig vom Fluid und Expander nicht vom Druck Doch aufgrund des Realverhaltens von Fluiden kann sich dieser mit Temperatur Druck und Drehzahl ndern Deutlich wird dies mit der oberen Gleichung wenn man sich die real
94. derungen Saugzuggebl se DeVeTec ununssnnnsseenssrrenerrersrrrrerrrresrrersrrrressne 158 Anforderungen Frischluftgebl se DeVeTec 222000200000002000e nennen 159 Geplante K lteabsorptionsanlage DeVeTec s 200000000000snesnnnnennnnnennnneennnn 160 Container mit Seitenrahmen DeVerTec u0000002200 Rene nnnnennnnnnnnnnnnnn nennen 161 Containerhebung mit Zusatzhebe sen EHG us22000200s020enneennnnennnneennnn 162 NPSH Wert der Anlage mit Beh lter auf dem Containerdach Schweizer fn 164 Aufbau Container De Ve TeC ee Renee 165 NPSH Wert der Anlage mit seitlichem Beh lter Schweizer fn 165 Rohrleitungsverlauf auf dem Gel nde der Badischen Stahlwerke DeVeTec 166 Rohrleitungsverlauf auf dem Gel nde der Badischen Stahlwerke DeVeTec 167 Rohrleitungsverlauf auf dem Gel nde der Badischen Stahlwerke DeVeTec 167 K hlkreislauf im R amp l Schaubild DeVeTec u0000000200 Rene neenennennnnnennnnennnne 178 Abbildung 139 Abbildung 140 Abbildung 141 Abbildung 142 Abbildung 143 Abbildung 144 Abbildung 145 Abbildung 146 Abbildung 147 Abbildung 148 Abbildung 149 Abbildung 150 Abbildung 151 Abbildung 152 Abbildung 153 Abbildung 154 Abbildung 155 Abbildung 156 Abbildung 157 Abbildung 158 Abbildung 159 Abbildung 160 Abbildu
95. die Firmen Evonik Industries in Marl und die Fa Schott AG in Mainz Die Fa Schott zeichnete f r die Entwicklung neuer W rmetauscher zur Nutzung hochkorrosiver industrieller Abgase exemplarisch getestet an Abgasen von Spezialglaswannen verantwortlich Der Einsatz von W rmetauschern im Abgasstrom von Spezialglaswannen st t haupts chlich auf das Problem dass innerhalb des W rme bertr gers mit Kondensation von verdampften Glasbestandteilen insbesondere Boraten gerechnet werden muss Borate finden sich in gro en Mengen in den Abgasstr men von Borsilicatglaswannen Sie sind in fl ssig z hem Zustand chemisch u erst aggressiv Mit borhaltigen Abgasen kann ein W rmetauscher nur bei Temperaturen betrieben werden die entweder deutlich oberhalb des Taupunktes der Borate min 800 C oder deutlich unterhalb 500 C liegen Anderenfalls w rden die relativ feinen Strukturen eines Platten oder Rohrb ndelw rmetauschers sehr schnell verstopfen Ein weiterer nicht vernachl ssigbarer Effekt ist dass die W rmeleitf higkeit der Austauschfl chen durch die Anbackungen der Borate immer geringer wird F r den Temperaturbereich gt 900 C kamen nur keramische Materialien infrage wobei Siliziumkarbid SiC wegen seiner guten W rmeleitf higkeit am meisten favorisiert wird Kommerzielle Anbieter f r W rme bertr ger aus SiC gibt es bisher nur sehr wenige was haupts chlich daran liegt dass die Beherrschung der SiC Formgebung f r die rel
96. dies kein Fehler im Sinne des Versuches sondern ein Teilergebnis dessen Es muss lediglich bedacht werden dass aufgrund des h heren Massenstromes von ORCent111 eine speziell daf r konzipierte kommerzielle Anlage gr ere Systemdimensionen ben tigen k nnte bzw von Vorteil w re 14 5 2 8 Druck vs Temperatur im Kondensator Bei diesen Versuchen wurde der Kondensatordruck fest auf das Umgebungsniveau gelegt Der andere Betriebsfall also eine feste Kondensatortemperatur die mittels K hlung gegen Umgebung erreichbar ist liefert andere Ergebnisse Diese Betriebsweise w rde das Wirkungsgradverh ltnis von ORCent111 zu Ethanol verschlechtern Dies ist aus den Sattdampfr cken zu erkennen Bei ca 32 C w rde ORCent111 auf Umgebungsdruck kondensieren Ethanol w rde dann hingegen einen Druck von nur gut 0 1 bar im Kondensator aufweisen was deutlich zur Wirkungsgradsteigerung beitr ge Oder anders herum Bei ca 78 C kondensiert Ethanol unter Umgebungsdruck w hrend ORCent111 dort noch ca 4 4 bar ben tigen w rde Die Folge ist eine deutliche relative Wirkungsgradverschlechterung gegen ber Ethanol Daraus erschlie t sich auch dass Anlagen mit niedrigen Frischdampftemperaturen und Einsatzmedien wie ORCent111 keine sinnvolle M glichkeit der W rmeauskopplung mehr bieten Um rentable Wirkungsgrade zur erhalten muss die Kondensationstemperatur so niedrig wie m glich Umgebung liegen 14 5 2 9 nderungen am Pr fstandaufbau Ein Rekuperato
97. dprinzip ORC Turbine DeVeTec DeVeiec Die folgende Darstellung zeigt den Vergleich zwischen Turbinen und dem ORCent Expansionsmotor bezogen auf den Gesamtwirkungsgrad einer ORC Anlage wobei sich in puncto Gesamtausbringungsmenge an elektrischer Energie und damit auch dem Gesamtwirkungsgrad deutliche Vorteile f r die Kolbenmaschine zeigen W rmeangebot Pa 97 kW bezogen auf erah aea Pa 200 kW Pa 1 5 MW T 410 C Pinverlust 65 KW Abgas WT Thermal l Priwehiet 133 kW Pin 378 KW KwK Nutzw rme Pin 778 kW xkwe Nutzw rme Abbildung 4 Vergleich ORC Dampfexpansionsmotor und Turbine bezogen auf den Wirkungsgrad DeVeTec Der Gesamtwirkungsgrad einer ORC Anlage wird durch ein ORC Modul mit einer Kolbenmaschine entscheidend gesteigert da die Menge der verwertbaren Energie aus dem Abw rmestrom deutlich gr er ist Neben dem geringeren Wirkungsgrad des Gesamtsystems zeigen sich bei den bekannten ORC Systemen die eine Turbine oder einen Schraubenmotor als Expansionsmaschine benutzen noch weitere Problemstellungen Turbinen haben den Nachteil dass die Auslegung auf einen optimalen Betriebspunkt durchgef hrt werden muss und auch nur ein geringes Enthalpiegef lle realisiert werden kann Wird die Turbine nicht in diesem Arbeitspunkt betrieben beispielsweise wegen Teillastbetrieb oder bei schwankenden Betriebszust nden Temperaturniveaus sinkt ihr Wirkungsgrad erheblich Schwanken
98. durchg ngigen B nken A und B DeVeTec e Einzelne Zylinderk pfe A1 AA und B1 bis B4 Nr 1 Richtung Schwungradseite Generator e OT Folge V8 A1 B3 0 A3 B4 90 AA B2 180 A2 B1 270 e Drehzahl 750 1 min Synchrongenerator 7 2 2 1 1 Verwendete Sensoren und Positionen e Triax Sensoren 3 St ck Nr 1 3 Fa PCB Modelnr HT356B21 e Uniax Sensor 1 St ck Nr 4 Fa Bosch Modelnr 0 261 231 019 e Einachssensor Sensor 1 St ck Nr 5 Hansford e Einachssensor 1 St ck Nr 6 Fa PCB Modelnr 320C03 e Ref Trigger Fa Noris Modelnr FAJ11 24V high O V low Fallende Flanke high gt low 9 Grad vor A1 OT e Pickup Fa Noris Modelnr FAJ11 24V high O V low 168 Z hne e 0 10 V oder 0 20 mA f r aktuelle Leistung e 0 10 V oder 0 20 mA f r aktuelle ltemperatur DeVe ec 7 2 2 1 2 Positionen Abbildung 68 Triax Sensor Kopf A1 A1_PCB_1 10 mV g DeVeTec Abbildung 69 Triax Sensor Mitte Bank A BA_PCB_2 10 mV g DeVeTec o ngal Abbildung 70 Triax Sensor Motorblock M PCB 3 10 mV g DeVeTec 94 Abbildung 73 Einachssensor PCB Bank B BB_PCB_6 10 mV g DeVeTec 95 AV DeVe ec 7 2 2 2 Erste Messergebnisse Die ersten Messergebnisse sind auff llig klar und die Events sind gut erkennbar Im Einzelnen Sensor Bank A PCB A3 ffnet A4 ffnet A2 f
99. e Gesamtbetrachtung in der ORCent111 besser dast nde DeVeiec 244 14 4 4 Temperaturuntergrenze 14 4 4 1 Ethanol Schon bei den Versuchen zum thermischen Wirkungsgrad f r Ethanol im betrachteten Temperaturbereich wurde deutlich dass in dieser Anlage bei lt 140 C die Untergrenze erreicht ist 14 4 4 2 ORCent111 Beim Einsatz von ORCent111 konnten deutlich tiefere Temperaturen gefahren werden Bis 80 C stand noch ausreichend Druck zur Verf gung und der Expander lief ruhig und rund In nachfolgender Grafik ist jedoch auch zu erkennen dass unterhalb von gut 100 C eine verst rkte Verschlechterung beginnt Die Verdampferleistung betrug hier immer etwa 10 7 kW Andere Expander k nnen mit ORCent111 bei noch tieferen Temperaturen als hier ermittelt betrieben werden P W 900 3650 Bypass geschlossen 800 150 700 Bypass zur un Druckabsenkung offen Sattdampfeintritt in Expander 600 550 500 450 350 9 C 78 8O a2 84 6E 83 90 92 g4 96 96 100 102 1 04 106 108 110 112 114 118 7118 120 122 124 Abbildung 175 P Diagramm ORCent111 bei tieferen Temperaturen DeVeTec Allerdings musste ab ca 94 5 C der Druck durch das ffnen des Bypasses gesenkt werden da dieser f r die tiefen Temperaturen zu hoch war Anderenfalls h tte ORCent111 nicht gasf rmig vorgelegen Dadurch bedingt ist ein Teil des Massenstromes durch den Bypass am Expander vorbei gestr mt und hat somit nicht an der Expanderleistung mitgewirkt
100. e die durch den Containerdachaufbau hervorgerufen werden in die Fundamente geleitet Auf der unteren Abbildung sind die Komponenten die sich auf dem Containerdach befinden benannt Ethanolvorw armer Rauchgas Ethanol Verdampler amp U berhitzer 3 Abbildung 96 Komponenten des Dampfkreisprozess DeVeTec a E Y D DeVeiec Zus tzlich befindet sich auf dem Container eine Ausblase und Atmungsleitung Beim Bef llen der Anlage und beim An und Abfahren des ORC Kreisprozesses entweicht Ethanol ber die Ausblase und Atmungsleitung nach drau en W hrend des Betriebs des ORC Kreislaufprozesses ist nicht mit einem Entweichen von Ethanol durch die Ausblase und Atmunsgsleitung zu rechnen Wassergef hrdung Zum Betrieb des ORC Dampfkreisprozesses werden ca 1 m verg llter Ethanol als Medium eingesetzt Entsprechend dem Katalog wassergef hrdender Stoffe findet man Ethanol in der Wassergef hrdungsklasse WGK 1 wieder Gem der Verordnung ber Anlagen zum Umgang mit wassergef hrdenden Stoffen und ber Fachbetriebe wird Ethanol bei einem Volumen von 1 bis 10 m der Gef hrdungsstufe A zugeordnet Zur Verbindung der oberirdischen Rohrleitungen werden l sbare Flanschverbindungen eingesetzt bei denen die Dichtung nicht aus ihrem Sitz gedr ckt werden kann Zudem werden Dichtungen verwendet die als dauerhaft technisch dicht gelten Zur Schmierung des Expanders wird Motoren l verwendet welches der WGK 2 zuzuordnen ist
101. e Funktion der Ger te im Fall einer Explosion weiterhin erhalten ATEX konforme Ger te sind dabei Verdampfer Druckregelventile Absperrventil Speisepumpe und Vakuumpumpe in elektrischer Ausf hrung Viele rein mechanisch arbeitende Komponenten bedarf es ebenfalls einer ATEX Konformit t da durch innere Reibung ein Z ndfunken entstehen kann Diese Ausf hrung der genannten Bauteile ist im Vergleich zu Standardkomponenten u erst kostenintensiv Entl ftung des Pr fstandes Als letztes Schutzkonzept wird eine Entl ftung der Pr fzelle eingesetzt Dadurch wird verhindert dass im Falle eines Dampfleitungsabrisses sich das Medium zu einem z ndf higen Gemisch bildet Der Ventilator l uft im Dauerbetrieb und saugt das austretende Medium aus der Pr fzelle ab wo es sich mit der Hallenluft vermischt Mit dem Hallenvolumen von 12000 m kann ann hernd ein Betrieb im Freien angenommen werden Weitere Ma nahmen Erg nzend zu den bereits genannten Schutzkonzepten k nnen ein Verbot von offenen Flammen oder anderer nicht zugelassener elektrischer Ger te im Umfeld des Pr fstandes sein Vor allem beim Bef ll und Entleervorgang sind besondere Schutzvorkehrungen einzuhalten Das Bedienpersonal hat Sicherheitsschuhe zu tragen die eine elektrische Aufladung verhindern An der Anlage ist ein Potenzialausgleich vorgesehen um elektrostatische Entladungen zu vermeiden Schaltschr nke und Pr fstandsteuerung sind au erhalb des explosionsgef hrdeten
102. e demontiert werden m ssen um die defekten Bauteile zu erreichen Dadurch wird das Risiko von Montagefehlern beim Zusammenbau minimiert 54 DeVeiec Ebenfalls ist die Montage der Bauteile durch das reduzierte Gewicht im Gegensatz zum 8 Zylinder Motor auf Basis des Deutz Motorblocks erleichtert Die Fertigung der Geh useteile und der Zylinderk pfe erfolgt in zwei Schritten Im ersten Schritt werden Gussrohlinge von einem externen Dienstleister angefertigt welche im zweiten Schritt durch spanabhebende Fertigungsverfahren endbearbeitet werden 6 2 2 1 Externe lvorw rmung Die beiden Dampfexpansionsmotoren auf Basis des MWM 12 Zylinder V Motors wurden mit einer externen Vorw rmung des Motor ls ausgestattet Diese soll in erster Linie das Motor l auch bei Stillstand des Motors auf Betriebstemperatur bringen beziehungsweise es auf dieser Temperatur halten Durch diese Vorgehensweise verk rzt sich die Warmlaufphase des Motors und durch die h here Viskosit t des ls im warmen Zustand k nnen die Schmierstellen der Kurbelwelle und der Nockenwelle beim Starten schneller von der Schmier lpumpe mit dem ben tigten ldruck versorgt werden Des Weiteren ist es m glich mithilfe dieses W rmetauschers das Motor l in der lwanne des Expansionsmotors auch im Stillstand soweit zu erhitzen dass im Motor l gel stes fl ssiges Ethanol auskocht und ber die Kurbelgeh useentl ftung wieder dem Dampfkreislauf zur Verf gung gestellt
103. e freigeben 13 3 Expander 13 4 Steuerung und Regelung Anhand des R amp I Flie bildes kann ein Messstellenplan erstellt werden Ein Auszug daraus ist in folgender Tabelle zu sehen Tabelle 8 Auszug des Messstellenplans DeVeTec Name Bezeichnung Beschreibung Messbereich Medientemperatur Verdampfer T 201 T_Verd_Ein Eintritt 0 100 C Medientemperatur am Verdampfer T 203 T_Verd_Aus Austritt 0 450 C T 205 T_Exp_Ein Medientemperatur vor Expander 0 450 C T 206 T_Exp_Aus Medientemperatur nach Expander 0 450 C T 207 T_Kond_Ein Medientemperatur vor Kondensator 0 450 C T 208 T_Kond_Aus Medientemperatur nach Kondensator 0 100 C 188 Deversc T 210 T_Oel Oltemperatur Expander 0 140 C K hlwassertemperatur am Eingang 0 100 C T 301 T_KWE Kondensator K hlwassertemperatur am Ausgang Kondensator 0 100 C Temperaturbegrenzer nach Verdampfer 450 C Temperaturbegrenzer Kondensator 400 C Innerer Temperaturbegrenzer im T 302 T_KWA TZA 204 TZA 209 TZ 121 Verdampfer 0 500 C p_Exp_Ein Mediendruck vor Expander 20 60 bar p_Exp_Aus Mediendruck nach Expander 0 20 bar PIZA_n_Verd Druckbegrenzer nach Verdampfer 0 60 bar PIZA_n_Kon Druckbegrenzer nach Rezipient 0 20 bar p_Vakuum Druckschalter 0 20 bar p_Zyl 1 Zylinderdruck Zylinder 1 0 60 bar P 212 p_Zyl_2 Zylinderdruck Zylinder 2 0 60 bar ie a a Durchflussmenge Medium nach F
104. ebene realisiert werden Sowohl im Gesch fts Wohn Industrie als auch im Gewerbebereich kann der IPC durch sein zertifiziertes CE Kennzeichen zum Einsatz kommen ebenso in der Geb udeautomatisierung oder in ffentlichen Einrichtungen Durch diverse integrierte und parametrierbare berwachungsoptionen sowie weitere Melde und Diagnoseaufgaben sorgt der IPC f r optimale Verf gbarkeit EEE a 7 Bu EEE Abbildung 61 Siemens IPC 427D 7 1 2 6 Scalance M874 3 Der Scalance M874 3 ist ein Mobilfunkrouter und dient dazu eine sichere Anbindung von Automatisierungsger ten und Ethernet basierten Subnetzen herzustellen Dabei wird das Mobilfunknetz der dritten Generation UMTS genutzt Durch die Sicherheitsfunktionen der integrierten Firewall und des VPN Tunnels wird eine sichere Kommunikation gew hrleistet Dadurch kann praktisch weltweit auf IP basierte Endger te zugegriffen werden Somit reicht das industrielle und industrienahe Anwendungsgebiet vom weltweiten Fernprogrammieren und Fernwarten bis hin zum flexiblen Anlagenzugriff zu Wartungs und Diagnosezwecken Abbildung 62 SCALANCE M874 3 EEE Du 7 Do DeVe 7 1 2 7 Woodward Regler Ein Nachteil bei der neuen Automatisierungsl sung war dass es f r das neue Automatisierungsger t die CPU 315F 2PN DP mit den vier ET200S Modulen keine Synchronisationsmodule gab Bei der DEIF Steuerung gab es das SCM Modul welches genau diese Aufgaben der Synchronisierung bernahm Daher m
105. ecken stehen noch diverse Ein und Ausg nge zur Verf gung Diese sind zum Teil vorkonfiguriert oder k nnen je nach Verwendungszweck frei konfiguriert werden Folgende Ein und Ausg nge stellt die easYgen bereit e Drehzahleingang e Digitale Alarmeing nge e Digitalausg nge e Externe Digitaleing nge ausg nge ber CANopen e Analogeing nge e Analogausg nge e Externe Analogeing nge ausg nge ber CANopen DeVeiec Durch die zentrale DEIF Steuerung konnte kein dezentraler Aufbau realisiert werden Die 7 1 3 Topologie Steuerung mit den einzelnen I O Modulen sa kompakt im Schaltschrank Dadurch mussten s mtliche Feldger te sowie Sensoren und Aktoren im Schaltschrank an die zentrale Steuerung angeschlossen werden was immer ein sehr gro er Aufwand an Kabelwegen bedeutete Dazu kommt dass alle im Schaltschrank ankommenden Kabel ber Klemmleisten gef hrt wurden Dies war mit einem sehr gro en Platzbedarf verbunden Ebenso wurden dadurch leicht Fehler bei der Verdrahtung gemacht welche dann durch zus tzlichen Aufwand wieder behoben werden mussten Durch den Umbau auf die neue Siemens Steuerung konnten verschiedene Teile ausgelagert werden Somit hat man nun die eigentliche CPU und noch vier weitere dezentrale Peripheriemodule Die CPU sowie das ET200S Modul f r den Pumpenraum befinden sich im Schaltschrank Im Expanderraum befindet sich ebenfalls ein Klemmkasten mit dem dazugeh rigen ET200S Modul F r den K hlkr
106. ege gering zu halten ist eine Aufstellung des ORC Containers in unmittelbarer N he zu den beiden Gasmotoren angestrebt worden Position des ORC Moduls Abbildung 75 Bestimmungsort des ORC Moduls DeVeTec 1 1 3 DeVe ec Zwischen dem Schalld mpfer und dem Abgasw rmetauscher wird ein weiteres Abgasrohr angeflanscht das zum Abgasw rmetauscher des ORC Moduls f hrt Im ORC Betrieb str mt kein Abgas ber den Kamin des BHKWs ins Freie E Abgasw rmetauscher BHKW Schalld mpfer ie BHKW u aa TEN a A Fe BHKW 2 Rog Anschluss eines weiteren Abgasrohres Abbildung 76 BHKW Anlage in Kirchwalsede DeVeTec BEER Du 1 7 u DeVeiec 8 2 Auslegung der Anlage Zum Zeitpunkt der Planung der ORC Anlage war ein Teil der Biogasanlage in Kirchwalsede erst in Betrieb genommen worden Daher gab es keine Leistungsdaten f r die Gesamtanlage die zur Planung herangezogen werden konnten Abbildung 77 BHKW Kirchwalsede Evonik Zudem sollte das zweite BHKW erst ein Jahr sp ter in Betrieb genommen werden Alle folgenden Entwurfsrechnungen basieren auf Leistungsdaten von vergleichbaren Biogasanlagen und aus Schaubildern verschiedener R amp I Schemata der Fa SES Zu Verifizierung der Abgasleistung wurde das Motordatenblatt der Fa MWM herangezogen In Summe stehen dem ORC Prozess zur Stromerzeugung 778 kW Abgasenergie zur Verf gung Motordaten Motortyp TCG 2016C V16 der Fa MWM
107. ehlerfall oder bei einer entsprechenden St rmeldung wird der Generatorleistungsschalter welcher den Generator ans Netz schaltet ge ffnet und die Anlage kontrolliert abgefahren Dabei wird noch unterschieden ob eine Regelabstellung oder ein Schnellstopp erfolgt und auf welchen Level heruntergefahren wird 8 6 h I en W Oraria e A g ai Modul N2 Erzeugung ORC Modul Kehl Pumpenmochd m Deun Au test ker EN 1 Ho 12 20 31 11 06 2014 E THL kenper atu Erpander rN e r it N iGIiGmA de ORC Modul Kehl Dee c 2 r r p ORC Modul Kehl Epris GIGA CJ ORC Modul Kehl a Katr UT vom ORC Modul Kehl F Diagwsa 960 Regler V11 Option A un IC ey f ORC Modul Kehl LE VEC er Mur L r i BE a 11052014 a a Noatu Eupander T41 DeN elec 7 2 Noise Vibration Guard Schadensfr herkennung 7 2 1 Vorbemerkung Der Motor stellt die Komponente mit dem h chsten Risiko dar Somit k nnen m gliche Ausf lle und dadurch resultierende Sch den nicht ausgeschlossen werden Besonders im hochdynamisch beanspruchten Teil der Maschine der Kolben Zylinderpaarung und der Gaswechselsteuerung k nnen leichte Sch den z B Federbruch unter Umst nden zu kapitalen Motorsch den f hren Um kapitale Sch den zu vermeiden ist es daher sinnvoll die Maschine auf leichte Sch den zu berwachen und gezielt abzustellen Scha
108. ei nen realen Wert des Gesamtschwefelgehaltes an der kleiner als 1 x 10 kg Nmt ist Aufgrund dieser au erordentlich niederen Konzentrationen von nat rlichen Schwefelverbin dungen die nach dem Entschwefelungsprozess im Erdgas noch enthalten sind ist es nicht m glich mit dem in der Gaswirtschaft blichen Verfahren der Gaschromatographie die ge nannten Schwefelverbindungen in derartig kleiner Konzentration berhaupt festzustellen Erdgas erh lt einen Warngeruch durch Odorierung Da Erdgas im Naturzustand geruchlos ist wird es mit einem intensiv riechenden Warnstoff versetzt odoriert und damit riechbar gemacht Das wird durch die badenovane z GmbH ver antwortlich nach den Vorgaben aus dem DVGW Regelwerk vorgenommen Traditionell wird dabei in der Gaswirtschaft und so auch von badenovan nz GmbH schwefelhaltiges Odo riermittel eingesetzt badenovan z GmbH verwendet dazu ausschlie lich THT Tetra Hydro Thiophen CH 5 Die Dosiermindestmenge ist vorgegeben mit 10 x 10 kg THT Nm sie wird eingehalten und berwacht Abbildung 15 Stellungnahme zur Gasqualit t Badenova EEE T EREEE DeVe ec Eine Taupunktnachrechnung beim T V S D auf Basis dieser Daten hat ergeben dass bei dieser geringen Konzentration keine Berechnung m glich ist da die Mengen zu gering sind Schwefeltrioxidberechnung aus dem Gesamtschwefel im Erdgas nach Auskunft der badenovaycrz GmbH sind im DVGW Regelwerk G 260 die maximal
109. eingestellt werden Dies ist die Temperatur nach Kondensator und wurde durch die Regelung des K hlwasserdurchflusses durch den Kondensator von der Steuerung eingestellt Die Temperaturerh hung dazwischen entstand vor allem durch die W rme in der Pr ffeldeinhausung W rmestrahlung des hei en Systems Expanders und geringf gig in der Pumpe Unter SPF201 Mediendurchfluss fest kg h war grob der zu erwartende Massenstrom im station ren Versuchszustand vorzugeben Dieser Wert ist entweder empirisch ermittelt bekannt oder kann ber Stoffdaten Verdampferleistung druck und temperaturdifferenz berechnet worden SPF Mediendurchfluss T Anteil gab den relativen Bereich um diesen Durchflussfestwert an in dem die Steuerung regeln durfte um die Solltemperatur am Verdampferaustritt zu erreichen Da der Verdampfer mit konstanter Leistung betrieben wurde passt die Steuerung den Eintrittsstrom in den Verdampfer durch Pumpenregelung mittels FU an um die gew nschte Dampftemperatur zu erhalten Durch eine Erh hung der F rderleistung stieg der Verdampferf llstand Folglich vergr erte sich der Bereich in dem das Medium erw rmt und verdampft wurde w hrend der berhitzungsbereich kleiner 211 DeVeiec wurde Somit erh hte sich der Austrittsstrom auf das Niveau des erh hten Eintrittsstroms w hrend die Temperatur absank Analog dazu galt Umgekehrtes f r eine Verringerung der Pumpenleistung Oste Bearbeiten Austwwen Werkze
110. eis der au erhalb am Container angebracht ist gibt es nun auch einen separaten Klemmkasten mit dazugeh rigem ET200S Modul Dass gleiche gilt f r den Heizkreis welcher bei der aktuellen ORC Anlage in Kehl ca 70m vom Container entfernt ist Folgende Teilnehmer sind per Profinet in einer Baumstruktur miteinander vernetzt e CPU 315F 2PN DP e ET2O00S Modul f r Pumpenraum e ET200S Modul f r Expanderraum e ET2OOS Modul f r K hlkreis e ET200S Modul f r Heizkreis e Anschaltungsbaugruppe f r Woodward Regler e Anschaltungsbaugruppe f r SEW Frequenzumrichter e Switch e UMTS Router e Touch Panel e Industrie PC e Datenerfassungsger t von National Instruments DeVeiec 84 Durch diesen neuen dezentralen Aufbau reduzieren sich die Kabelwege enorm Die Leitungen der Feldger te m ssen nun nicht mehr zentral in den Schaltschrank verlegt sondern k nnen direkt an das jeweilige ausgelagerte Peripheriemodul angeschlossen werden Ebenso entfallen bei diesem Aufbau jegliche Klemmleisten denn ein weiterer Vorteil der ET200S Module ist dass die neuen Push In Klemmen denselben Charakter wie Reihenklemmen aufweisen Somit k nnen die einzelnen Signalleitungen direkt angeschlossen werden Auch Fehler k nnen dadurch schneller erkannt und behoben werden Durch die in der Software integrierte Topologieansicht kann direkt identifiziert werden welches Modul bei welcher Baugruppe einen Fehler oder eine St rung meldet DEIF Delomatic CPU 315
111. eistungs Druck Kurven wurden bei der sich f r das jeweilige Medium als optimal herausgestellten Steuerzeit und 150 C am Expandereintritt aufgezeichnet Die Leistung des Verdampfers war bei beiden Versuchsreihen in etwa konstant P W bzw n 1000 Porcenttt Abbildung 174 Vergleich Ethanol ORCent111 im P p Diagramm DeVeTec Da der jeweilige Druck durch das ffnen des Bypassventils am Expander vorbei eingestellt wurde ist hier ein Teil des Medienstromes f r die Expanderleistung verloren gegangen Entsprechend ist hier keine Aussage ber einen Wirkungsgrad m glich Lediglich der quantitative Vergleich der Leistungen beide Medien bei gleichem Druck und gleicher Temperatur am Expandereintritt steht hier im Vordergrund Deutlich zu erkennen und sehr interessant ist hier dass das an sich optimale Medium ORCent111 bei gleichem Druck eine geringere Leistung erbringt Dabei muss bedacht werden Nimmt man z B den Punkt bei 5 5 bar so musste bei ORCent111 etwa die H lfte des eigentlichen Druckes ber das Bypassventil abgelassen werden w hrend es bei Ethanol nur ca 0 5 bar waren Dementsprechend war der Bypassstrom bei ORCent111 deutlich h her als bei Ethanol N hme man in einer korrigierten optimierten Betrachtung an dass dieser zur Leistung beitr ge z B in einem entsprechenden zus tzlichen Expander leider nicht m glich da Bypassstrom quantitativ nicht bekannt bzw nicht ohne Messeinrichtung ermittelbar erg be sich ein
112. eit mit dem Betreiber der W rmequelle durchgef hrt werden da dieser Ausschl ge im Verlauf des Graphs erkl ren kann z B Ausfall der W rmequelle durch Wartungsarbeiten oder Produktionsunterbrechungen DeVe ec Abbildung 19 Diagramm vom 13 06 13 14 06 2013 DeVeTec Abbildung 20 Diagramm vom 13 06 13 14 06 2013 DeVeTec Die obigen Abbildungen zeigen den Temperaturverlauf und die Abgasmenge jeweils ber einen Tag Es ist zu erkennen dass die Temperaturen im maximalen Fall zwischen 500 und 550 C variieren Im minimalen Fall schwanken die Temperaturen zwischen 300 und 400 C Die Abgasmengen im oberen Betriebspunkt bewegen sich zwischen 40 000 und 50 000 kg h w hrend im unteren Betriebspunkt die Werte zwischen 16 000 und 26 000 kg h schwanken F r eine erste Absch tzung wird ber die Enthalpierechnung die nutzbare thermische Leistung bestimmt Vom Anlagenbetreiber ist eine minimale Abgastemperatur von 150 C vorgegeben Zur Erreichung der mit dem Betreiber vereinbarten Leistung ist eine thermisch nutzbare Abgasenergie von 1400 kW erforderlich Die Enthalpierechnung f r den maximalen Auslegungsfall mit 500 C und 40 000 kg h ergibt eine thermische nutzbare Leistung von 4000 kW 41 N N3 Tabgas ein h3 Abgas 519 80 kJ kg mPkt Abgas PAbgas 5771 92526 kW Tabgas aus h3 Abgas 151 40 kJ kg Ah 368 39 kJ kg AP 4093 28 kW Abbildung 21 Leistungsabsch tzung bei Volllast DeVeTec Beim minimalen Ausle
113. ellung der ORC Anlage in Worms Evonik 20s20200000020 nenne ennnneennneenn 136 Abbildung 105 Abbildung 106 Abbildung 107 Abbildung 108 Abbildung 109 Abbildung 110 Abbildung 111 Abbildung 112 Abbildung 113 Abbildung 114 Abbildung 115 Abbildung 116 Abbildung 117 Abbildung 118 Abbildung 119 Abbildung 120 Abbildung 121 Abbildung 122 Abbildung 123 Abbildung 124 Abbildung 125 DeVeTec Abbildung 126 Abbildung 127 Abbildung 128 Abbildung 129 Abbildung 130 Abbildung 131 Abbildung 132 Abbildung 133 Abbildung 134 Abbildung 135 Abbildung 136 Abbildung 137 Abbildung 138 DeN elec Abbildung 104 Innenansicht Container Worms Evonik u0020000200 Rennen nenn nnnnn nennen 136 Vergleich W rmequelle zu elektrischer Leistung DeVeTec 00 140 Lastverteilung in in Worms DeVeTec 020000000000sseennnnesnnnnennnnne nennen 141 Lastkennfeld Anlage Worms DeVeTec 00000000000eseennnnesnnnnennnnnennnnnennnnen 141 Wirkungsgratkennfeld Anlage Worms DeVeTec u0s22220000200000 Rennens 142 Urspr nglicher Rauchgasweg DeVeTec 0200000000000eseennnnesnnnnennnnnnnnnnnennnnen 143 Aufstellungsort DeVeTec ee een 144 CAD Ansicht Maschinenbett amp Expander DeVeTec 0s0000000002 2er 146 CAD Ansicht Dachrahmen DeVerTec
114. elte VMQ Dichtungen Originaldichtung unten liegend DeVeTec Es haben sich die ummantelten Dichtungen am Pr fstand bez glich Dichtheit als tauglich erwiesen Dieser Versuch wurde mit ORCent111 im kalten fl ssigen Zustand durchgef hrt Unter Temperatureinfluss und gasf rmig d rften sind die Ergebnisse noch deutlicher sein A O Y Bu BEE DeVe ec Kunststoffbeh ltnisse wurden ebenfalls von ORCent111 angegriffen und das Medium diffundiert mit der Zeit aus dem Beh lter Es konnte festgestellt werden dass z B Kugelh hne bei ORCent111 eine leichte Undichtigkeit aufwiesen Dies waren im beobachteten Fall einige Milliliter fl ssig ca 22 C und 12 bar an dieser Stelle an einem Kugelhahn pro Versuchstag S mtliche Ventile an der Anlage wurden durch den ORCent111 Einfluss mit der Zeit etwas undicht Auf Metalle wurde kein Einfluss festgestellt Medienverluste Sowohl Ethanol als auch ORCent111 wiesen im Laufe der Versuche einen Medienverlust aus der Anlage auf Verantwortlich hierf r sind die dynamischen Dichtungen am Expander sowie die Inertisierungsvorg nge w hrend die statischen Dichtungen am gesamten Anlagensystem incl Expander als technisch dicht betrachtet werden k nnen Inertisierung Beim Inertisieren wird die Anlage per Stickstoff mit berdruck beaufschlagt und nach kurzer Wartezeit der berdruck an die Umgebung abgelassen Das Gasgemisch in der Anlage besteht folglich aus Stickstoff ggf Saue
115. en STs a DeVeiec Alle oben aufgef hrten Komponenten werden auf dem Maschinenbett montiert und miteinander verrohrt bzw verkabelt F r die elektrischen Ger te des Maschinenbetts gibt es im Expanderraum einen gesonderten Klemmenkasten der au en mit Industriesteckverbindern ausgestattet ist Somit k nnen die Kabelverbindungen zwischen den Ger ten des ORC Grundmoduls und des Klemmenkastens schnell getrennt bzw verbunden werden Durch die Verwendung von Industriesteckern kann die Verkabelung des ORC Grundmoduls bereits vor Einbau in den Container abgeschlossen werden Abbildung 31 ORC Grundmodul und Rohrleitungssystem DeVeTec Durch die modulare Bauweise und die Integrit t aller anlagenunabh ngigen Komponenten in einem Container ergeben sich aus heutiger Sicht folgende Vorteile e Lieferzeitverk rzung f r die Gesamtanlage Nach Auftragsvergabe der Gesamtanlage kann unabh ngig vom Verdampfer und Kondensatorkonzept mit der Produktion des Containermoduls begonnen werden e Zeit und Kostenersparnis bei der Herstellung des Containermoduls Durch Optimierung der Prozesse bei der Bestellung der Komponenten bei der Montage bei der Dokumentation und bei den Abnahmen k nnen Zeit und Kosten minimiert werden e Entwicklungsoptimierung Bereiche des Containermoduls k nnen wegen definierter Schnittstellen parallel weiterentwickelt werden e Vereinfachte T V Freigabe Durch den sich wiederholenden Funktionsaufbau werden die Pr fungen du
116. en nicht konstanten Isentropenexponenten realer Medien anschaut ideal K f T p real K f T p Da die n tige Druckerh hung hier deutlich gr er als bei den vorherigen Korrekturen und Optimierungsans tzen ist kann somit der innere polytrope Wirkungsgrad nicht mehr vereinfacht als konstant angenommen werden DeVeiec Anmerkung Die druckabh ngige nderung des inneren isentropen Wirkungsgrades r 1 n 1 p Ban Ban E Z Paus ne Paus A Ki x i 1 Zaun 1 Zaun Paus Paus 14 4 2 32 wird bereits durch Formel 14 4 2 15 ber cksichtigt Die Formeln 14 4 2 15 und 14 4 2 32 leiten sich gleich her bzw lassen sich ineinander berf hren Abschlie end w ren folgende Ma nahmen n tig um diese Optimierungsbetrachtung fortzuf hren e Theoretische Optimierung des inneren polytropen Expanderwirkungsgrades damit bei Expansion aus dem Dampfgebiet die Taulinie erreicht werden kann e Berechnung der neuen Eintrittsparameter Druck Enthalpie Entropie e Berechnung des Expansionsverlaufes Ergebnisse aus dieser Betrachtung h tten folglich mit Versuchen nichts mehr zu tun und k nnen genauso gut theoretisch errechnet oder simuliert werden Daher ist diese Optimierungsbetrachtung nur von hypothetischer Natur und wurde nicht weiter durchgef hrt Aus anlagentechnischer Sicht kann es auch n tig sein dass der Expanderaustrittsstrom eine gewisse berhitzung besitzen muss soll wenn z B f r
117. en Schwefelgehalte festgelegt Gesamtschwefel 30 mg Nm Schwefelwasserstoff Gehalt 5 mg Nm Mercaptanschwefel Gehalt 6 mg Nm In der Regel liegt der Schwefelgehalt deutlich niedriger Der Vorlieferant terranets bw GmbH gibt reale Gesamtschwefelgehalte von kleiner 1 mg Nm an Bei 30 mg m i N tr Schwefel im Erdgas kann maximal 2 6 ppm SO und SO entstehen wobei der SO3 Anteil in der Regel bei deutlich kleiner als 10 liegt Real betr gt der SO und SO Anteil insgesamt im Abgas lt 0 1 ppm Eine Berechnung des S uretaupunktes bei so niedrigen Konzentrationen ist nicht mehr m g lich da es nach meinem Kenntnisstand keine Untersuchungen unter 0 1 ppm SO gibt Die Firma Saacke ein namhafter Brennerhersteller gibt folgenden S uretaupunkt an und Min desttemperatur vom Rauchgas Abbildung 16 Gutachten des T V S D 2013 DeVeTec Es wurde nur der Hinweis get tigt dass eine Rauchgastemperatur von 55 C nicht unterschritten werden sollte da dies der ungef hre Taupunkt von Wasser ist Somit kann auf eine aufwendige Ethanolvorw rmung verzichtet werden EEE Du 7 Do DeVe Technische Beschreibung des Verdampfers Gem der unteren Abbildung sind die Heizschlangen S f rmig ausgef hrt und hintereinander angeordnet Der Anfang und das Ende der einzelnen Rohrschlangen sind mit einem horizontal verlaufenden Rohr verbunden dem sogenannten Sammler Verdampfergeh use und Heizschlangen sind aus handels blichem Material geferti
118. en an den Klappen X 102 1 amp X 102 2 zum ORC W rmetauscher gelangen kann Im ORC Betrieb sind die Klappen X 102 1 amp X 102 2 ge ffnet ber das Saugzuggebl se V11 wird die f r den ORC Prozess notwendige Abgasmenge angesaugt Bei Abgastemperaturen ber 480 C schaltet sich das Frischluftgebl se V12 dazu damit die Abgastemperatur vor ORC W rmetauscher nicht ber 500 C steigt Anzusaugender Volumenstrom Abbildung 128 Anforderungen Frischluftgebl se DeVeTec Da im Falle eines defekten Frischluftgebl ses kein Rauchgas austreten darf muss zwischen Frischluftklappe und Rauchgasweg eine Klappe installiert werden die im Notfall schlie t Es sollte eine weichdichtende Klappe eingesetzt werden da diese absolut dicht ist W rde man eine metallisch dichtende Klappe einsetzen w rden im Falle eines defekten Frischluftgebl ses Hei gase von bis 560 C ber die Leckagestellen der Absperrklappe nach au en gelangen und das Frischluftgebl se sch digen Der Einsatz einer weichdichtenden Abgasklappe setzt voraus dass diese im Abstand zum max 560 C hei en Rauchgasrohr angebracht wird da sonst die Gummidichtung wegen der W rme bertragung zu hei werden w rde DeVeiec 160 Auslegung des Kondensators Gem den Anforderungen der K lteabsorptionsanlage und der Verdampferleistung wurde der Kondensator ausgelegt Gegen ber den bisherigen Anlagen wurde bei dieser Anwendung besonders Wert auf eine maximale K
119. en die ORC Motoren und die ORC Anlagen bei den Feldtestpartnern einer Monitoringphase unterzogen um weitere Betriebserfahrungen sammeln zu k nnen Daneben soll zur Erschlie ung des Marktes mit Ingenieur und Planungsb ros zusammengearbeitet werden die als Vertriebspartner f r die ORCent Technologie dienen Erste Gespr che mit einem Unternehmen aus diesem Bereich werden aktuell schon gef hrt Auf Basis dieser Gespr che und Recherchen ist im europ ischen Markt ein Marktpotenzial von mehreren Hundert St ck f r solche Anlagen gegeben Auch die in diesem Markt m chte sich DeVeTec als Technologie und Kostenf hrer mittelfristig etablieren und sich eine f hrende Marktposition erarbeiten DeVeiec 258 16 Ver ffentlichungen und Vortr ge Bine Vortrag Heye Glasforum International Vortrag KWK Status Seminar Stuttgart Vortrag KWK Status Seminar Erfurt Vortrag Glas Cluster Weserbergland bei Noelle von Campe Vortrag H ttentechnische Vereinigung der deutschen Glasindustrie e V HVG und Deutsche Glastechnische Gesellschaft DGG 12 September 2012 Nominierung IKU Vortrag bei der Nominierung zum Step Award des Faz Instituts Preisverleihung Querdenker Award DeVe ec 17 Literaturverzeichnis 1 Verband der T V e V AD2000 Regelwerk Beuth Verlag Berlin 2008 Verein Deutscher Ingenieure VDI W rmeatlas Berechnungsbl tter f r den W rme bergang Springer Verlag Berlin Heidelberg 2002 Cerbe G Hoffma
120. en konstant bleibenden Volumenstrom trotz gr eren Massenstroms zur ckzuf hren Der mit diesem Effekt gewonnen Wirkungsgradzuwachs DeVe ec kann n herungsweise wieder mit den oben im Normierung und Korrekturverfahren angef hrten Formeln abgesch tzt werden 232 Erh hung der Expanderleistung aufgrund des erh hten Massenstromes Ozu ldurl Maeu Man Qzu 14 4 2 21 P ab neu P ab alt e mei 14 4 2 22 Zus tzliche Erh hung der Expanderleistung aufgrund der aus der Massenstromerh hung resultierenden Druckerh hung Aus Formel 14 4 2 7 wird abgeleitet Qu Oul Peinneu Pein alt za 14 4 2 23 Wegen des erh hten Massenstromes erh ht sich die Str mungsgeschwindigkeit am Expanderaustritt Dies f hrt aufgrund der Reibungsverluste bis zum Kondensator Vorlagebeh lter zu einem erh hten Expandergegendruck es gilt vereinfacht p c7 2 14 4 2 24 APvarl PausE Pk T sowie vereinfacht angenommen auch p seien konstant AP veri neu z Creu Fa F a E al c Pverl alt alt 14 4 2 25 Die Geschwindigkeiten sind proportional zum Massenstrom n Apyarl neu APverl alt i talt 14 4 2 26 Pausneu T Pr APvyerl neu 14 4 2 27 Nun kann mit der Formel 14 4 2 13 die optimierte Austrittstemperatur bestimmt werden und anschlie end mit Formel 14 4 2 15 die optimierte Expanderleistung DeVe ec Dabei ist die erh hte Leistung durch den gr eren Massenstrom nac
121. en und maximalen Betriebszust nde voneinander abweichen bedarf es einer Anpassung des Abgasvolumenstroms oder des Ethanolvolumenstroms in Abh ngigkeit des jeweiligen Betriebszustandes Da der W rmetauscher auf den minimalen Betriebspunkt ausgelegt wird sind die Austauschfl chen im Fall des maximalen Betriebspunktes zu gro Eine M glichkeit w re den Ethanolvolumenstrom zu erh hen oder den Abgasvolumenstrom zu drosseln Da der Volumenstrom des K hlmediums Ethanol nur in sehr kleinen Grenzen dem jeweiligen Betriebszustand angepasst werden kann ist in den meisten F llen eine Anpassung des Abgasvolumenstroms notwendig Die Anforderung zur Anpassung des Abgasvolumenstroms muss bereits bei der Planung der Gesamtanlage ber cksichtigt werden Auswahl des minimalen und maximalen Betriebspunktes Grundvoraussetzung f r die Definition der Betriebspunkte ist die Kenntnis ber den Betriebsverlauf der W rmequelle ber einen l ngeren Zeitraum Abgasvolumenstrom Temperaturwert und Druckverlauf f r das Abgas das zum ORC W rmetauscher ausgekoppelt werden k nnte sind wichtige Kenngr en die f r die Auslegung des W rmetauschers entscheidend sind Nicht zu vergessen ist die Angabe der minimalen Abgastemperatur d h wie weit darf das Abgas abgek hlt werden ohne das nachgeschaltete Anlagenteile Schaden nehmen Je gr er das nutzbare Temperaturgef lle ist desto kleiner werden die Verdampferaustauschfl chen desto geringer die Herste
122. endet Wie in folgender Abbildung zu sehen ist wird ber eine vorgespannte Feder eine vorher eingestellte Kraft auf einen Dichtungskonus ausge bt Wird nun die Fl che mit dem Grenzdruck beaufschlagt ffnet das Ventil entgegen der Federkraft In der Anlage sind zwei Sicherheitsventile verbaut Das Erste ist nach dem Verdampfer platziert V 202 und auf einen ffnungsdruck von 60 bar eingestellt Wird dieser Druck berschritten ffnet das Ventil und das verdampfte Medium str mt ber einen Bypass direkt in den Kondensator Dort wird der Dampf aufgrund der Volumenvergr erung im anschlie enden Auffangbeh lter deutlich an Druck verlieren Sollte jedoch der Druck weiterhin ber 20 bar betragen so ffnet ein zweites Sicherheitsventil V 214 nach dem Druckbeh lter Hierbei wird dann das gasf rmige Medium in die Pr fstandsumhausung freigelassen in der es anschlie end von der Teststandentl ftung absaugt wird Dort verd nnt es sich mit der Raum oder Hallenluft derart dass keine explosionsf hige Atmosph re mehr existiert 187 DeVeiec Druckschraube Gegenmutter Teller Eintritt Austritt Abbildung 144 Querschnitt eines Sicherheitsventils DeVeTec Magnetventil Das Magnetventil wird ber einen externen Druckschalter bet tigt Es erfolgt nur ein Signal zur ffnung oder Schlie ung des Ventils Im Pr fstand soll das Magnetventil V 206 einen Querschnitt zur Unterdruckerzeugung durch die nachgeschaltete Vakuumpump
123. ent111 eingelegt und Ver nderungen dokumentiert 14 3 8 Anlagenwartung Reparaturen und Umbauten W hrend der Versuche fielen standardm ig Wartungsarbeiten aber auch Reparaturen an Unter Wartungsarbeiten fielen e berpr fung der Schmier l zu st nde in Expander und Medienpumpe e Anlagensauberkeit e Dichtheitskontrollen e Fester Satz aller Verbindungen und Kabel ggf nachziehen e Sichtpr fung der Anlagenkomponenten F r die berpr fung der Dichtheit wurde das System ber einen l ngeren Zeitraum mit Stickstoffdruck beaufschlagt und der Druckabfall ber die Zeit per Anlagensoftware aufgezeichnet Dabei waren zwei F lle zu unterscheiden Druckabfall mit und ohne Expander Im ersten Fall wurden die Ventile vor und nach Expander geschlossen Der Druck in der Anlage sollte dann konstant bleiben Im zweiten Fall ist ein Druckabfall nicht vermeidbar Das Dichtungssystem an den Expanderkolben sowie der Drehschiebersteuerung besitzt immer eine kleine zul ssige Undichtigkeit da sich solche Systeme nicht zu 100 Prozent abdichten lassen Der Druckabfall musste innerhalb der technisch machbaren Grenzen tolerierbar klein sein Im Betrieb wurden n herungsweise der Blowby ber die Kolbenringe sowie der Medienverlust an den Wellendichtungen der Drehschiebersteuerung erfasst Dazu wurden diese Leckstr me an vorgesehenen Anschl ssen abgeleitet und in einem entsprechenden Beh ltnis aufgefangen Die anfallenden Reparaturen beliefen sich
124. er ber den Kamin nach drau en i Auskoppeln der Abgase nach Reku I j um 4 I Position ORC Abg asw rmesta uscher 5 Abbildung 119 Anbindung des ORC Moduls DeVeTec Sarlo DeVeiec Aufstellungsort des ORC Containers Der ORC Container wird in 8 Meter H he in die Stahlkonstruktion stirnseitig eingebracht In 8 Meter H he wird der ORC Contanen sam Kondensator eingebracht Autsta ung des ORC Contaners Abbildung 121 Bestimmungsort des ORC Moduls in der Stahlkonstruktion DeVeTec 153 DeVeiec Erh hter Planungsaufwand Um die Rohrleitungskosten m glichst gering zu halten sollte der Rauchgasw rmetauscher in unmittelbarer N he zur W rmequelle stehen Speziell bei hohen Abgasleistungen die in der Regel Nennweiten zwischen DN800 und DN900 erfordern k nnen je nach Rohrf hrung die Rohrleitungskosten 30 50 der W rmetauscherkosten ausmachen Aufgrund des Brammenlagerplatzes am Standort der Badischen Stahlwerke konnte der W rmetauscher nicht unmittelbar vor das Passst ck positioniert werden Die untere Abbildung zeigt den bereits fertig skizzierten Rohrleitungsverlauf Gr ner Flansch ist bauseits vorhanden Sondertlansch ist zu beachten ONOG 600 C Gr ner Flansch ist bauseits vorhanden Sonderflansch ist zu beachten DNBOO 300 C z aramea ern Abbildung 122 Rohrleitungsverlauf der Hei gasleitungen DeVeTec BEE Du 17 A
125. er nachtr glich kundenseitige Voraussetzungen an die Klappensteuerung im Rauchgas ergeben haben Es wurde ein regelbarer Abgasklappenantrieb nachger stet Dieser stellt sicher dass beim Anfahren des kalten Verdampfers die Rauchgastemperatur nicht kurzzeitig in einen kritischen Bereich absinkt in dem Taupunkte unterschritten werden Die Regelung stellt sicher dass am Austritt des senkrechten Abgaskanals immer mindestens 180 C vorliegen Die Arbeiten wurden bis Dezember abgeschlossen Im Januar 2014 wurde die Anlage auf den Dauerbetrieb vorbereitet und ein erster Testbetrieb mit 50 Betriebsstunden erfolgreich absolviert Dieser wurde am 31 01 2014 mit der Pr fung vor Inbetriebnahme durch den T V Rheinland beendet Im Februar wurde die ORC Anlage im Betrieb unter Beaufsichtigung in einem ersten Dauerbetrieb betrieben Dieser wurde durch einen Kurbelwellenschaden nach insgesamt 219 Betriebsstunden beendet Die Ursache war chemische Korrosion durch Ethanol an den Lagerschalen aus Aluminium Die Reparatur des Expanders erforderte einen Abtransport nach Saarbr cken Dort wurde er wieder instand gesetzt und mit neuen Lagerschalen ausgestattet Die Reparatur und der Wiedereinbau in die ORC Anlage dauerten an bis zum 13 03 2014 Bis Ende M rz wurde die Anlage im Betrieb unter Beaufsichtigung betrieben Seit April wird die Anlage unbemannt laufen gelassen und ca einmal pro Woche inspiziert Eine weitere langfristige Herausforderung stellt die Bela
126. erdach gestellt damit durch den geod tischen H henunterschied zwischen Ausgleichsbeh lter und Vorf rderpumpe ein Differenzdruck geschaffen wird Durch die Stickstoff berlagerung im Ausgleichsbeh lter ist zus tzlich 100mbar berdruck auf der Rohrleitung zwischen Ausgleichsbeh lter und Vorf rderpumpe Daraus ergibt sich ein NPSH Wert der Anlage von 5 94 Metern Saungnetreo Tulmuftweinet Geodansche Hohe Hz zus mM Stromungswerknte z 5 Redung M m Dichte des Mediums Agim Dampfdruck des Metums po Pa en Lu gruch Aufstefort p Pa Sy mungsgeschw m Beher we Ms NPSH Wer der Antage m 84 Abbildung 132 NPSH Wert der Anlage mit Beh lter auf dem Containerdach Schweizer fn Allerdings ist in der Zulaufleitung ein Vorfilter installiert der die nach geschalteten Pumpen vor grobem Schmutz sch tzen soll Dieser Vorfilter reduziert den Vordruck der Vorf rderpumpe bei vollem Filter um 100Pa DeVeiec Durch die begrenzte Bauh he am Standort der Badischen Stahlwerke wurden der Kondensator und der Ausgleichsbeh lter seitlich am Container angeordnet Abbildung 133 Aufbau Container DeVeTec Daher ergibt sich f r die geod tische H he ein Wert von 0 9 Metern Somit ndert sich der NPSH Wert auf 3 84 Meter Abbildung 134 NPSH Wert der Anlage mit seitlichem Beh lter Schweizer fn ER e BERN DeVeiec Entsprechend dem verminderten NPSH Wert wur
127. ergestellt dass keine zus tzliche Bodenlast ber das Erdreich auf die Rohrleitungen bertragen wird Zudem ist die Zug nglichkeit zu den unterirdischen Rohrleitungen gewahrt Durch entsprechende Aushubarbeiten gelangt man im Reparaturfall an die Rohrleitungen Die Aushubarbeiten f r die Fundamente werden von Hand ausgef hrt um etwaige Sch den an den vorhandenen Rohrleitungen zu vermeiden W INN mM fi P F i y Ts en t An Abbildung 98 Fundamente f r ORC Anlage DeVeTec Das untere CAD Bild zeigt die Integration des ORC Moduls in die bestehende Biogasanlage Es zeigt auch die Auskopplung der Abgase nach den BHKW Katalysatoren Wegen der beengten Platzverh ltnisse mussten zwei neue Kamine geschaffen werden ber die die Abgase im ORC Betrieb entweichen k nnen Abbildung 99 Aufstellung der ORC Anlage im 3D DeVeTec 131 Abbildung 100 Aufstellung der ORC Anlage vor Ort DeVeTec DeVeiec Inbetriebnahme Kirchwalsede Ende Juli 2012 wurden die ersten Kilowattstunden ins Netz eingespeist Es wurden innerhalb der folgenden Tage 40 Betriebsstunden absolviert Allerdings stand schon zu diesem Zeitpunkt fest dass die Schwefelwasserstoffanteile im Biogas ber 300 ppm liegen Der Probebetrieb wurde seit August 2012 aus folgenden Gr nden eingestellt e Die Schwefelwasserstoffanteile liegen weit ber den vereinbarten 300 ppm Es wurde seitens der Fa DeVeTec nachtr glich eine Date
128. ers um den sich abzeichnenden Bestpunkt herum w ren n tig 14 5 2 5 Medienindividuelle mechanische Einstellungen Da jedes Medium anderes Stoffwerte Eigenschaften und ggf ein anderes Verhalten im Expander besitzt m sste z B das Totvolumen im Zylinder immer entsprechen eingestellt werden Ggf kann diese Anpassung sogar beim gleichen Medium nach nderung von Steuerzeiten oder Temperaturen zu Wirkungsgrad nderungen f hren Ebenso k nnte ein Anpassen der Einlasszeit Bohrungen im Einlassdrehschieber individuellen Einfluss nehmen Damit k nnte ebenfalls ein h herer oder tieferer Druck gefahren werden Diese Ma nahme ist bei konstanter Drehzahl und Verdampferleistung die einzige M glichkeit die Entspannung durch Druckanpassung auf oder m glichst in der N he der Taulinie enden zu lassen K rzere ffnungszeiten durch kleinere Bohrungen bewirken einen Druckanstieg da bei folglich geringerer Zylinderf llung Volumen der gleiche Massenstrom herrschen muss Der Einlassdrehschieber m sste im Idealfall jedoch jedes Mal nicht nur an das Medium sondern auch an die gefahrenen Temperaturen und dem von der Verdampferleistung abh ngigen Massenstrom angepasst werden Dies ist aufwandstechnisch kaum durchf hrbar Des Weiteren k nnte eine individuelle Anpassung der ffnung im Auslassdrehschieber auf die Steuerzeit Einfluss nehmen Bei extremen Steuerzeiten z B Einlass ffnet 15 vor OT schiebt sich der ffnungsbeginn des Auslasses auch
129. esennnnnnnen 255 15 2 Wirtschaftliche Erfolgsaussichten nach Projektende s 222220020200000nnnnennnnne seen 255 15 2 1 Wirtschaftlichkeitsbetrachtung einer ORC Anlage ssssessesesrersesreresrrrssrreresrrresseeee 255 15 2 2 CO Bilanz einer ORC Anla ge nsrsrsrnsi ei E Ei 256 15 3 Wissenschaftliche und oder technische Erfolgsaussichten nach Projektende 256 16 vVeroffentlichungen und Vortrage ncnuesenuie nina 258 17 Gerdt Ze ee ee ee 259 DeVeiec Abbildungsverzeichnis Abbildung 1 DeVeTec ORC Prozess DeVeTec 000s00020002snenennennnnnnnnnnennnnnennnnnennnnnennnnnnnnnn 15 Abbildung 2 Grundprinzip ORC Kolbenmaschine DeVeTec 22000202000 200 ne nenne snnnnennnneennnn 16 Abbildung 3 Grundprinzip ORC Turbine DeVeTec 220s22220002sneneneennnnennnnnennnnnennnnnnnnnnnnnnnn 16 Abbildung 4 Vergleich ORC Dampfexpansionsmotor und Turbine bezogen auf den Wirkungsgrad DEV Te eE Eee Eee E 17 Abbildung 5 DEIF Steuerung am Standort Fenne DeVeTec ueneeeneenneernnerensrrrerrresrresrrrsrrreererseens 21 Abbildung 6 Pumpenstation Fenne DeVeTec 0s02222000200000RBnnnnne nennen nnnnnnen nennen nnnnnnenne nenn 21 Abbildung 7 Kondensator mit Fl ssigkeitsvorlage DeVeTec uss20200002200000BRennnennnnnnesnennnen 22 Abbildung 8 Trennkammer f r zuk nftige Anlagen DeVeTec uss000000022eennene
130. esrurenunene 115 8 3 Realisierung des ORG MOdUIS u nun 126 9 Planung Aufbau und Inbetriebnahme der Feldtestanlage am Standort Worms 134 9 1 PIANIST ee ee 134 9 2 Aufbau und Kaltinbetriebnahme 2222240000220nnnnnnnnnnennnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnennnnnn 134 9 3 WarminDetriepnanNe ansnnseseneeee ar uneminunen 137 9 3 1 PEETI I e A E E 137 9 3 2 BEITIER een einer 137 9 3 3 E OOE Ear ee ee 137 9 3 4 Seerne P e ee ee een 137 9 3 5 AMOC EM ECNI orain ee 137 9 3 6 Schadensfr herkennung pr vention Motor berwachung esssccercereeesen 138 9 4 Proben ti D ee euer en ee er 138 9 4 1 AS ee en ren 138 9 4 2 EX DIET oem ee ee 138 9 4 3 STEUEL UNE SP Se ee ne ea een 139 9 4 4 ANSBENTEC HI IR ee ee ee 139 9 4 5 Schadensfr herkennung pr vention Motor berwachung 0000002222 rer 139 9 5 VIESSEF SEHE nee ea re nee ee 140 10 Planung Aufbau und Inbetriebnahme der Feldtestanlage am Standort Boffzen 143 10 1 ANECON r E E E 143 10 2 PrO RVO ee 145 10 3 EES E SE ae re een 151 11 Planung Aufbau und Inbetriebnahme der Feldtestanlage am Standort Kehl 152 11 1 Beschreibung der Anlage s22222002220000nnnnnennnnnnnennnnnnennnnnnennnnnnnnnnnnsnennnnsnnnsnnnnnennn 152 11 2 AUSIEeUNE der AnIIBe ee ee nee 156 12 Verbundprojekt Evonik Degussa Schott AG DeVeTec GmbH 22ss222220022200se nennen 169 13 Planu
131. est sind geringer als zu Versuchsbeginn Dies muss jedoch nicht unbedingt mit Ver nderungen am Medium zu tun haben sondern kann im Bereich der Fehlergenauigkeit liegen Bei gt 150 C trat keine nennenswerte Wirkungsgradver nderung mehr auf 3 Analyse der Proben Die Ergebnisse der Medienproben die eine genaue Aussage ber die Ergebnisse des Stresstestes machen k nnen lagen zum Zeitpunkt der Beendigung dieser Arbeit noch nicht vor Analyse und Auswertung der Proben liegen im Aufgaben und Kompetenzbereich des Projektpartners EVONIK Industries 14 4 6 Materialbest ndigkeit W hrend Ethanol m ige Anspr che an die in der Anlage eingesetzten Materialien stellt ist die Vertr glichkeit von ORCent111 bei s mtlichen Kunststoffen deutlich kritischer ORCent111 ist ein sehr starkes L sungsmittel welches aus Kunststoffen die Weichmacher herausl st Z B Schl uche aus PE und PVC werden hart und br chig Ebenso werden Dichtungen angegriffen Die urspr nglichen Dichtungen halten ORCent111 nicht stand Hier wurde jeweils eine Dichtung unterschiedlicher Materialien in ORCent111 eingelegt und mit einem neuen Original verglichen 313 h he 111 0 p HHH II I i N HHUH 165 166 167 168 169 1170 171 172 173 174 mi ii aani iN lt Abbildung 177 Vergleich Dichtungen Original gt ORCent111 beinflusst Originaldichtungen unten bzw innen liegend DeVeTec Abbildung 178 PTFE ummant
132. esteht zum einen aus dem Verdampfer und zum andren aus einem Containermodul in dem die wesentlichen Anlagenelemente und insbesondere der Motor untergebracht sind Das Containermodul ist mit einem Dachrahmen ausgestattet der zus tzliche Fl che f r diese Anlagenkomponenten bereitstellt Aufgrund der Qualit t des Rauchgases konnten auf eine Ethanolvorw rmung und andere Ma nahmen zur Vermeidung von S uretaupunkten verzichtet werden Um dennoch sicherzustellen dass keine Sch den in Heizkreis und Verdampfer auftreten wurde der W rmetauscher darauf ausgelegt das 370 C hei e Abgas der Glash tte nur auf 180 C abzuk hlen BE u 77 DeVeiec Die Kondensation des Ethanoldampfes erfolgt durch einen K hlkreislauf mit einem Wasser Glykol Gemisch mit einer Vorlauftemperatur von 65 C und einer R cklauftemperatur von 45 C Die thermische Leistung die dem Ethanol dadurch entzogen wird wird von NuvC genutzt um eine eigens daf r ausgelegte und neu installierte Hallenheizung zu betreiben Dadurch kann im Winter die erdgasbetriebene Zentralheizung des Werks komplett abgeschaltet werden woraus eine erhebliche Brennstoffeinsparung resultiert 10 2 Projektverlauf Die Verantwortungsbereiche im Projekt unterscheiden sich entsprechend der Bilanzgrenzen in die eigentliche ORC Anlage der DeVeTec GmbH sowie die Ma nahmen zur Aufstellung und Einbindung in das Werk Teilbereiche au erhalb der Bilanzgrenzen durch NuvC Im zweiten Halbjahr 2012
133. etrennte Digitaleing nge von 9V bis 36V DC f r die Abfrage von Sensoren oder Impulsgebern 1 25MHz Abtastrate e Zehn digitale Ausg nge mit externer Spannungsversorgung von 9V bis 36V DC Gegentaktausg nge mit stabilem Betrieb gegen Masse oder gegen Versorgungsspannung bis zu 200mA Dauerbelastbarkeit Die Ausg nge sind dauerkurzschlussfest und au erdem gegen thermische berlast gesch tzt e Jede Karte besitzt eine eigene galvanische Trennung zwischen Analog E A Digital E A und internem Potenzial Somit sind Schleifen ber verschiedene Karten ausgeschlossen DeVeiec 74 7 1 2 Automatisierungsl sung F r die neue Automatisierungsl sung hat man sich f r ein Konzept und einen Aufbau mit Siemens Komponenten entschieden Ebenso wurde diese Variante auch vom Feldtestpartner gew nscht Die Siemens AG bietet in ihrem Portfolio der Simatic Industrie Automation eine gro e Produktvielfalt an Steuerungssystemen Im Folgenden werden die eingesetzten Komponenten vom modularen Controller bis hin zum Multipanel n her erl utert 7 1 2 1 CPU 315F 2PN DP Als Zentralbaugruppe wird die CPU 315F 2PN DP eingesetzt F r Anwendungen die sowohl einen zentralen als auch einen dezentralen Aufbau erfordern stellt die CPU eine optimale L sung dar 32 32 32 16 Abbildung 55 Leistungsklassen der 57 300 CPU s Die CPU 315 hat einen schnellen Arbeitsspeicher von 512 KB f r die standard und sicherheitsgerichteten Programmteile
134. expansionsmotors von DeVeTec im Hinblick auf die Dauerbetriebsf higkeit in energieintensiven industriellen Anwendungen und bei der Nutzung im Zusammenhang mit Biomasseanlagen Biogas Holzfeuerungsanwendungen sowie der Nachweis der ange strebten und bislang nur theoretisch bzw unter Laborbedingungen ermittelten Leistungsdaten in den verschiedenen Anwendungsf llen Dabei ist es wichtig ein optimiertes Verh ltnis in den Punkten geringe Betriebskosten hoher Wirkungsgrad und wettbewerbsf hige Beschaffungskosten f r den Expansionsmotor und das Gesamtsystem zu erreichen Neben der Erprobung in den Feldtestanlagen wurde der ORC Dampfexpansionsmotor weiterentwickelt und optimiert 2 Voraussetzungen unter denen das Vorhaben durchgef hrt wurde Ist Situation und Stand ORC Technik Aktuell werden viele Abw rmestr me aus Industrieprozesen und aus Biogas und Biomasseanlagen ungenutzt an die Umwelt abgegeben Dies ist darin begr ndet dass speziell f r die Stromerzeugung aus W rmestr men auf einem Temperaturniveau zwischen 200 und 400 C im Leistungsbereich von 50 200 kW bislang noch keine technisch reifen und wirtschaftlich attraktiven L sungen zur Verf gung stehen Gerade diese Leistungsklassen sind f r Biogas und Industrieprozesse interessant DeVeiec Die ORC Organic Rankine Cycle Technik ist dabei eine effiziente Technologie um energetisch niederwertige Abw rmestr me z B aus industriellen Prozessen zur Verstromung
135. fnet A1 ffnet 1 1 OT A1 innerer Kopf u erer Kopf innerer Kopf u erer Kopf A1 schlie t u erer Kopf A3 schlie t A4 schlie t A2 schlie t innerer Kopf u erer Kopf innerer Kopf Sensor Kopf A1 PCB N Eee er pam BERSEUS SB BE b 1 am atrs an ade an adi 004 2001 ao net MEn doc as aon hit Eat A3 ffnet A4 ffnet A2 ffnet Ai ffnet OT AI innerer Kopf u erer Kopf innerer Kopf u erer Kopf AL schlie t A3 schlie t A4 schlie t A2 schlie t u erer Kopf innerer Kopf u erer Kopf innerer Kopf DeVeiec Sensor A1 Bosch amp run am nass sm on na as us PET am om a no non ua Zat A3 ffnet A4 ffnet A2 ffnet A1 ffnet OT AL innerer Kopf u erer Kopf innerer Kopf u erer Kopf AL schlie t A3 schlie t A4 schlie t A2 schlie t u erer Kopf innerer Kopf u erer Kopf innerer Kopf 7 2 2 2 1 Auswertung Grundlage f r Entwicklung e Die Ventil Schlie en Events sind auf allen Sensoren und Positionen gut erkennbar e Die Ventil ffnen Events sind an der Bank kaum unterscheidbar e A1 ffnet ist bei Bosch deutlicher zu erkennen als am PCB vermutlicher Grund Sensor noch n her am Ventil Totvolumen als PCB e Am A1 ist das Ventil Schlie en Event von A2 deutlich messbar sogar A3 und A4 aufgrund der Entfernung ist die Amplitude aber deutlich abnehmend e gt Entfernung zum Sensor spielt eine gro e Rolle s
136. g stehende K hl bzw Trocknerleistung im Sommerbetrieb 1328 kW e K hlwassertemperatur 80 C e Temperatur im Trockner 70 C Bei gleicher Au entemperatur wie im Betrieb ohne ORC ist das AT um 10 K geringer mit der Konsequenz dass der Luftmassenstrom erh ht werden muss Durch das um 10 K abgesenkte Temperaturniveau in der Trockenbandanlage wird die Trocknung der G rreste im Vergleich zum Betrieb ohne ORC mehr Zeit in Anspruch nehmen Bei einer Au entemperatur von 25 C AT 45 K wird ein Luftmassenstrom von 106 t h ben tigt um 1328 kW an die Luft abzugeben Bei 25 C liegt ein Volumenstrom vom 90 000 m h vor Bei einer Au entemperatur von 35 C AT 35 K wird ein Luftmassenstrom von 135 t h ben tigt um 1328 kW an die Luft abzugeben Bei 35 C liegt ein Volumenstrom vom 120 000 m h vor Ein L fter der Fa Stela kann maximal 42 000m h Luft ansaugen Derzeit sind zwei L fter verbaut M glichkeit 1 Installation eines weiteren L fters M glichkeit 2 Mit 2 L ftern k nnen bei einer Au entemperatur von 35 C maximal 900 kW an die Luft bertragen werden Die restlichen 428 kW werden ber Tischk hler abgef hrt Abbildung 88 Analyse der Trockenbandanlage mit ORC DeVeTec Wegen der Stromproduktion im ORC Betrieb verringert sich die zur Verf gung stehende K hl bzw Heizleistung von 1458 kW auf 1328 kW Im ORC Betrieb erreicht die Trockenbandanlage bereits bei Au entemperaturen von unter 25 C ihre maximale
137. gew hlt werden e Sicherheitsanforderungen und Gefahren berwachung w hrend des gesamten Betriebs e Auswahl der Komponenten nach Explosionsschutzanforderungen ATEX e M glichst kompakte Bauweise mit geringem Platzbedarf e Mobilit t durch geeignetes Verfahrenssystem sicherstellen z B Transport auf Messen e M glichst geringe Kosten bei der Komponentenbeschaffung 13 2 2 R amp I Schema iu urn ru nu i vH A s aTa 13 001 0 ug IO RW BUNTEN I2d s ee AA Li Orangen mus aja za P Pu sr a s A R NE YE ums 003 U 173 DeVe ec 13 2 3 Komponenten Beim Hauptkreislauf handelt es sich um die Hauptkomponenten die f r den ORC Kreislauf notwendig sind Dazu z hlen in erster Linie die Speisepumpe der Verdampfer die Entspannungsmaschine der Kondensator und ein Ausgleichsbeh lter Diese sollen im Folgenden n her beschrieben werden 13 2 3 1 Speisepumpe Die Speisepumpe hat die Aufgabe das Arbeitsmedium auf ein entsprechendes Druckniveau zu bringen In unserem Fall soll dieses zwischen O und 60 bar absolut betragen Das Medium liegt vor und nach der Pumpe in fl ssiger Form vor Bei der ausgew hlten Pumpe handelt es sich um eine Kolbenmembranpumpe Hierbei wandelt eine Taumelscheibe die Drehbewegung der Antriebswelle in eine oszillierende Bewegung zum Hydraulikkolben um Die Kolben werden durch den R ckhub mit l gef llt Durch R ckschlagventile wird verhindert dass das l be
138. ggebl se integriert werden muss Auch diese Tatsache beeinflusst die Position der Stutzen Nach vollst ndiger Kl rung der technischen Anforderungen kann die W rmetauscheranfrage gestartet werden dessen Vergabe nach kaufm nnischer Kl rung erfolgt Erst jetzt kann mit der Auslegung aller nachfolgenden ORC Komponenten begonnen werden In den bisherigen Projekten sind in der Regel acht bis zw lf Wochen f r die Vorplanung in Anspruch genommen worden Zu dieser Zeitspanne addiert sich noch die Lieferzeit des Verdampfers von 12 16 Wochen Diese Lieferzeit ist schon dahin gehend optimiert dass bei den Materialien von einer sehr guten Verf gbarkeit auszugehen ist Erst nach Lieferung und Aufstellung des W rmetauschers kann die abgasseitige Anbindung erfolgen die je nach Aufstellungssituation weitere vier bis sechs Wochen in Anspruch nehmen kann Somit ist der Hei gasw rmetauscher der kritische Pfad in jedem Projekt Problematisch wird es bei Rauchgastemperaturen ber 550 C da es daf r keine lagerhaltigen Materialien gibt Alleine f r die Materialbeschaffung sind zw lf Wochen einzukalkulieren bei einem um 50 h heren W rmetauschergesamtpreis Dies bedeutet eine Gesamtlieferzeit von bis zu 24 Wochen bei einem Preis von ber 200 000 Um dies zu umgehen wurden bei Temperaturen ber 550 C L sungsm glichkeiten entwickelt die das Abgas auf dem gew nschten Wert abk hlen DeVe ec 6 2 Standardisierte Containervariationen f hren
139. gkeitsvorlage nicht zur Verf gung steht Ein weiterer Schwachpunkt war die F llstandanzeige mittels Differenzdruck Durch eine fehlerhafte Konstruktion im Bereich der Anbindung des oberen Druckanschlusses konnte der Kondensator beim Bef llen mit Ethanol berf llt werden ohne dass die F llstandanzeige dies mitteilte Ein berf llen hat zur Folge dass die Rohrb ndel mit fl ssigem Ethanol geflutet werden wodurch ein W rmetausch im geplanten Sinne nicht mehr stattfinden kann Ein Druckanstieg im Kondensator ist die Folge Abbildung 7 Kondensator mit Fl ssigkeitsvorlage DeVeTec Aus Platzgr nden hat man sich zum einen auf einen Plattenw rmetauscher als Kondensator geeinigt und zum anderen auf einen gesonderten Ausgleichsbeh lter Durch die kompakte Bauform lassen sich diese Komponenten besser auf dem Containerdach anordnen Zudem handelt es sich bei diesen Apparaten um standardisierte Produkte Zur F llstandmessung wird ein Schwimmerschalter mit vier Schaltpunkten als kosteng nstigste Alternative bei allen zuk nftigen Anlagen eingesetzt Anderungen der Beatmunssleitung Die ORC Anlage ist im Stillstand mit Stickstoff berlagert Beim Anfahren erw rmt sich der Stickstoff und dehnt sich aus Im geschlossenen ORC System f hrt dies zu einem Druckanstieg in der Anlage der ber eine Beatmungsleitung an die Umgebung abgelassen werden kann Bei berschreitung eines gewissen Solldrucks ffnet ein pneumatisches Ventil wodurch das g
140. gt das f r Temperaturen bis 500 C geeignet ist Abbildung 17 Rauchgasw rmetauscher von Aprovis DeVeTec Beim Betrieb des ORC W rmetauschers werden die Hei gase durch Abgasklappen vom urspr nglichen Abgasweg auf den Abgasweg des ORC W rmetauschers umgeleitet Abgasklappen vor und nach dem ORC Verdampfer sorgen daf r dass der W rmetauscher vom Abgasweg getrennt werden kann damit bei ausgeschalteter ORC Anlage die Abgase den urspr nglichen Abgasweg verlassen k nnen sodass der eigentliche Produktionsprozess nicht gest rt wird Da geschlossene Abgasklappen in der Regel immer eine gewisse Leckage haben str mt im Falle des abgeschotteten W rmetauschers eine gewisse Menge Rauchgas in das Geh use des W rmetauschers Da dieser bei Stillstand der ORC Anlage ausgek hlt ist DeVe cc kondensiert der im Rauchgas gebundene Wasserdampf aus und schl gt sich an den Wandungen nieder Es bildet sich an den mit Wasser benetzten Oberfl chen eine Rostschicht die ber die Zeit gesehen immer tiefer wird Um diesen Prozess des Verrottens im Stillstand zu vermeiden wurde der W rmetauscher mit einem zus tzlichen Bel ftungsstutzen versehen Im Falle eines Anlagenstillstands wird Frischluft in den W rmetauscher geblasen Die Frischluft verhindert zum einen dass das Rauchgas ber die Leckagestellen der beiden Abgasklappen in den W rmetauscher eindringt und zum anderen sorgt sie f r eine ausreichende Bel ftung und Trocknung im Innere
141. gungsfall ergibt sich bei einer ersten berschlagsrechnung eine thermisch nutzbare Leistung von 1150 kW bei 350 C und 20000 kg h Tabgas ein h3 Abgas 358 56 kJ kg mPkt Abgas PAbgas 1989 47102 kW Tabgas aus h3 Abgas 151 40 kJ kg Ah 207 15 kJ kg AP 1150 84 kW Abbildung 22 Leistungsabsch tzung bei minimaler Last DeVeTec Diese thermische Leistung liegt aber unter den geforderten Leistungsangaben Daher w hlt man im n chsten Schritt einen hnlichen Auslegungsfall der die geforderten Leistungsangaben bertrifft Nach nochmaliger Analyse der Messschriebe hat man sich am Beispiel des Kupolofens auf folgenden minimalen Betriebspunkt geeinigt Tabgas ein h3 Abgas 379 74 kJ kg mPkt Abgas PAbgas 2528 9698 kW Tabgas aus h3 Abgas 151 40 kJ kg Ah 228 34 kJ kg AP 1522 25 kW Abbildung 23 Anpassung der minimalen Lastanforderungen DeVeTec Dieser minimale Betriebspunkt ist die Grundlage f r die erste W rmetauscheranfrage zur Eruierung der Herstellungskosten Liegen die W rmetauscherherstellerkosten nicht im definierten Kostenrahmen m ssen die Betriebspunkte nach oben korrigiert werden Der Kostenrahmen wurde in der Wirtschaftlichkeitsrechnung f r das jeweilige Projekt definiert DeVe cc 6 1 2 1 Geschwei te Plattenw rmetauscher als alternative zu Rohrb ndelw rmetauschern Bei der ersten Versuchsanlage im Kraftwerk Fenne in V lklingen wurde ein Rohrb ndelw rmetauscher mit integriertem Reservoir als
142. h Formel 14 4 2 22 zuerst zu ber cksichtigen und in 14 4 2 15 einzusetzen Des Weiteren sind f r die Ausgangswerte nicht die Original sondern die korrigierten Daten Anmerkung zu verwenden Durch die Ver nderung des Massenstromes ndert sich ebenfalls die Unterk hlungsleistung diese hat wiederum Einfluss auf die Anpassung des Massenstromes Dieser Zirkelbezug wurde iterativ numerisch in Excel gel st Die Alternative w re die analytische L sung ber die Differenzialgleichung Dieser Weg der Massenstromanpassung ist der aufwendigere f hrt allerdings zu einem h heren Wirkungsgradergebnis als der vorherige der Verdampferleistungsanpassung Das ist damit zu begr nden dass durch das nun h here Druckgef lle am Expander eine tiefere Austrittstemperatur einstellt 2 berhitzung am Expanderaustritt Beide Medien lagen am Expanderaustritt deutlich berhitzt vor Die in der berhitzung enthaltende Energie ging dem Prozess durch den Kondensator verloren obwohl sie grunds tzlich f r den Kreisprozess noch von Wert gewesen w re Qin T Cpp dan Vs 14 4 2 28 Auch hier bieten sich wieder zwei M glichkeiten den Prozessablauf zu optimieren Durch den Einsatz eines Rekuperators k nnte die berhitzungsw rme zur ckgewonnen werden Diese Option teilt sich wie bei der Unterk hlung wieder in die zwei Unteroptionen Entweder dadurch Verdampferleistung substituieren Optimierung 1 Massenstrom und Expanderleis
143. h sollte die F rdermenge manuell auf die Verdampfungsleistung etwa angepasst werden empirisch oder berechnen um zu h ufiges Schalten zu verhindern Rohrleitungsvolumina sind in Relation gering und konnten vernachl ssigt werden Da der Verdampfer bei berschreiten von 20 C ber Solltemperatur abschaltet wurde ihm ein ausreichend hoher Sollwert vorgegeben und dieser eingeschaltet Das Bypassventil V X 203 war dabei voll ge ffnet Aufgrund des Anlagenwiderstands pendelte sich der Druck P205 nach Verdampfer P205 sowie die zugeh rige Temperatur T203 nach Verdampfer Sattdampfzustand nach einiger Zeit ein Ab diesem Punkt beginnend wurde der Solldruck in kleinen Schritten erh ht wodurch das geregelte Bypassventil schloss War der Solldruck erreicht wurde aufgrund des Verzuges der Temperatur und deren Messung kurz auf das Folgen dieser gewartet und der Solldruck erneut einen kleinen Schritt erh ht Dies wurde bis zum gew nschten Druck durchgef hrt Abschlie end erfolgte die Auswertung des automatisch aufgezeichneten Druck und Temperaturverlaufs 14 3 3 Thermischer Wirkungsgrad ORCent111 wurde zun chst f r den Temperaturbereich von 130 150 C konzipiert Daher ist von Interesse welche Wirkungsgradsteigerung eine Anlage durch den Einsatz von ORCent111 gegen ber Ethanol in diesem Temperaturfeld erf hrt Als Solltemperaturen f r die Hauptversuche wurden somit 130 140 und 150 C am Expandereintritt T205 ausgew hlt Der Anlage
144. he des p V Diagramms und multipliziert dies mit der Drehzahl So ergibt sich die Gasleistung des Zweitakt Hubkolbenexpanders pro Zylinder Peas Warbeitstakt 14 4 2 Um die Versuchsergebnisse zum einen vergleichen und zum anderen auf realistische Verh ltnisse bertragen zu k nnen sind eine Reihe von Anpassungsberechnungen n tig Diese teilen sich in zwei Gruppen Korrekturen sowie Normierungen und Optimierungen Die unabdingbare Notwendigkeit diese Betrachtungen ergibt sich auch wenn man bedenkt dass in einigen F llen bezogen auf die Rohdaten die thermischen Wirkungsgrade mit steigender Temperatur fallen Dies kann nat rlich nicht der Realit t entsprechen 14 4 2 1 Korrekturen und Normierungen Voraussetzungen Annahmen i Das Realgasverhalten wird vernachl ssigt Im Realfall ist z B die Enthalpiedifferenz bei h herem Druck und gleicher Temperaturdifferenz geringer ii Gleichbleibender innerer polytroper Expanderwirkungsgrad iii Nur kleine nderungen 1 Abweichung Drucksensoren Die Drucksensoren der Anlage waren nicht exakt kalibriert Bei Beaufschlagung mit Umgebungsdruck wichen die gemessenen Werte bis zu 55 mbar von dem tats chlichen ab Da dies gerade bei den Messungen relativ niedriger Dr cke nach Expander in den Korrekturen Optimierungen etwas ins Gewicht f llt wurden diese Fehler in der Auswertung korrigiert DeVe ec 2 Verdampferleistung a Die Temperatur am Verdampfereintritt ist nic
145. hr starken L sungsmitteleigenschaften wird die Best ndigkeit der Anlagenbauteile gegen ber ORCent111 jedoch die gr te Herausforderung sein F r Dichtungen und ggf Schl uche k nnen nur die hochwertigsten und somit hochpreisigen Materialien eingesetzt werden Gleichzeitig ist die Handhabung von ORCent111 nicht unproblematisch Da ab unter 40 C der Sattdampfdruck den Umgebungsdruck bersteigt stehen ungek hlte Lagerbeh lter im Sommer unter Druck Das Medium ist sehr fl chtig und bildet somit gerade beim Hantieren unter h heren Temperaturen schnell gef hrliche Atmosph ren hinsichtlich Brand Explosionsgefahr und Gesundheit Einatmen Entsprechende Sicherheitsma nahmen sind daher unabdingbar DeVeiec 14 5 2 Fehlerquellen Probleme und Optimierungsm glichkeiten 14 5 2 1 Schwankende Verdampferleistung Wie bereits beschrieben unterliegt die Verdampferleistung der schwankenden Netzspannung Im Verlaufe der Versuche musste festgestellt werden dass auch die durchgef hrten Korrekturrechnungen den Einfluss nicht vollst ndig eliminieren konnten Bei pl tzlicher Spannungs nderung im Netz w hrend eines laufenden Versuches konnte beobachtet werden dass nachdem sich der Prozess wieder auf einem neuen station ren Zustand eingestellte hatte der Wirkungsgrad trotz Korrektur ein relativ deutlich anderer war Des Weiteren machen pl tzliche Leistungs nderungen w hrend eines laufenden Versuchs diesen unbrauchbar Es muss zun chs
146. hsergebnisse im Anschluss durch stichpunktartige Wiederholung insbesondere der Versuche mit den besten Ergebnissen g nstigsten Steuerzeiten berpr ft Es wurde festgestellt dass die urspr nglich geplanten Steuerzeiten bei ORCent111 nicht ausreichen um den Bestpunkt festzustellen Gleichzeitig konnte ein Sprung eine Verschiebung der idealen Steuerzeit f r ORCent111 bei Dr cken unterhalb von ca 8 9 bar und oder Temperaturen unter 130 C festgestellt werden In der folgenden Grafik sind die O T s Diagramme von Ethanol und ORCent111 bei gleicher oberer und unterer Temperatur und idealer Expansion auf die Taulinie gegen bergestellt Dazu wurde der Ursprung beider Siedelinien bei 0 C und O kJ kg K festgelegt Zu erkennen ist dass ORCent111 gegen ber Ethanol die erw hnen Idealkriterien deutlich besser erf llt e Geringere Erw rmungsenthalpie Siedelinie steiler e H here Siedetemperatur gt H here mittlere obere Temperatur Das Fl chenverh ltnis von umschlossenem Kreisprozes und darunterliegender Kondensatorw rme ist hier bei ORCent111 g nstiger 19 C ORCen Dt 0 1 0203040506070809 I 111213141516 1718198 2 21222324 2526272829 3 3132333435 Abbildung 168 Gegen berstellung s Diagramme Ethanol und ORCent111 DeVeTec 217 DeVe ec 14 3 4 Leistungs Druck Kurve Bei zuvor ermittelter idealer Steuerzeit sollte f r die Medien die Kurve der Leistung ber dem Druck bei 150 C ermittelt wer
147. ht immer exakt konstant zu halten Daher wurde die Eintrittstemperatur normiert Um den Differenzbetrag der in der Temperaturabweichung enthaltenen W rme wurde die Verdampferleistung korrigiert v korr Or m Cp j 8 u y 14 4 2 3 b Es konnten Schwankungen der Verdampferleistung beobachtet werden die sich sehr deutlich auf die Gasleistung des Expanders auswirkten Der Verdampfer ist eine Heizung die einen ohmschen Widerstand darstellt F r einen ohmschen Widerstand gelten die Formeln U R I 14 4 2 4 en 1 4 2 5 Zusammengef hrt y P R 14 4 2 6 Der Heizwiderstand des Verdampfers ndert sich mit seiner Temperatur und folglich mit der eingestellten Medientemperatur Die Temperatur und somit der Widerstand der Heizst be k nnte durch Fouling aufgrund des schlechteren W rmedurchgangs bei konstanter Medientemperatur und Leistung steigen Fouling lag jedoch nicht vor Es wurde allerdings eine schwankende Netzspannung festgestellt welche auf die wechselnde Belastung des Stromnetzes zur ckzuf hren ist Bedingt durch den quadratischen Zusammenhang s Formel 14 4 2 6 wirken sich Spannungsschwankungen sehr stark auf die Verdampferleistung und folglich auch auf die des Expanders aus Da mit dem Wirkungsgrad der Quotient aus Expander und Verdampferleistung gebildet wurde scheint all dies zun chst einflusslos doch muss bedacht werden Durch eine ge nderte Verdampferleistung ndert bei gleich bleibenden Ei
148. i Kranen stirnseitig in das Geb ude eingeschoben wird mussten zwei zus tzliche Anschlagpunkte am Container integriert werden deren sichere Konstruktion von einem Statiker nachgewiesen wurde NACHWEIS VON BERECHNUNG zu asymmetrischer Container Hebung mit Zusatzhebe sen Abbildung 131 Containerhebung mit Zusatzhebe sen EHG Konstruktionsanforderungen im Hinblick auf die Anlagenverordnung wassergef hrdender Stoffe VawS Da die ORC Anlage in unmittelbarer N he zum Rhein aufgestellt ist unterliegt diese der VawS speziell die des Bundeslandeslandes Baden W rttemberg Folgende Angaben wurden hierzu get tigt 1 Verwendete Medien der ORC Anlage e _dGebrauchsmittel Ethanol entw ssert mit 1 MEK Menge weniger als 1000 Liter e _dGebrauchsmittel Motoren l Titan Ganymet Ultra von der Fa Fuchs Menge 100 Liter e Verbrauchsmittel Stickstoff ber Versorgungsleitung f r die Inertisierung der Anlage 2 Gef hrdungsklassifizierung und einstufung e Gef hrdungsklassifizierung des verwendeten Ethanols gem Bundesanzeiger Nr 142a vom 30 7 2005 in die Wassergef hrdungsklasse WGK 1 Gef hrdungseinstufung gem VAwS vom 11 Februar 1994 GBI S 182 zuletzt ge ndert durch Artikel 141 der Verordnung vom 25 Januar 2012 GBI Nr 3 S 65 in Kraft getreten am 28 Februar 2012 in die Stufe A Gef hrdungsklassifizierung des verwendeten Motoren ls in die Wassergef hrdungsklasse WGK 1 Gef hrdungseinstufung gem
149. i dieser L sung konnte auf Dichtungen komplett verzichtet und die Welle im Geh use gekapselt werden Bei den Tests kam es immer wieder zum berspringen von Polpaaren der Magnetkupplung da das ben tigte Antriebsmoment die Haltekraft der Kupplung berstieg Dadurch wurde die Position der Wellen ver ndert was eine Verstellung der Steuerzeiten nach sich zog und eine Neueinstellung n tig machte Es wurde nun eine Variante konstruiert bei welcher die Welle aus dem Geh use herausragte und nach au en hin abgedichtet werden musste Die Abdichtung wurde durch mehrere hintereinanderliegende Wellendichtringe realisiert wobei auf der Hochdruckseite sechs Dichtungen und auf der Niederdruckseite drei Dichtungen verbaut wurden Abbildung 53 Abdichtung der Einlasswelle nach au en DeVeTec Der Raum zwischen den drei innenliegenden Wellendichtringen der Einlasswelle wird au en am Geh use mit der Niederdruckkammer des Geh uses kurzgeschlossen So wird garantiert dass bei einem Versagen der ersten drei Dichtringe der Hochdruckseite der Ethanoldampf nicht nach au en sondern in den Auslassbereich des Geh uses entweichen kann Sowohl an der Einlasswelle als auch an der Auslasswelle sichern an dieser Bypassstelle drei weitere Dichtungen gegen ein Entweichen des Ethanoldampfes auf dem Auslassdruckniveau ab Diese Variante bereitete w hrend der Testl ufe keine weiteren Probleme EEE Dur 7 Vo DeVeiec Der Antrieb der Wellen erfolgt wie
150. iedertemperaturanwendungen in diesem Temperaturbereich somit sowohl unter thermodynamischen Gesichtspunkten als auch unter sicherheitstechnischen und umweltrelevanten Aspekten ein Optimum Durch Verwendung eines Dampfexpansionsmotors von der Firma DeVeTec mit ORCENT111 als Arbeitsmedium k nnen bislang ungenutzte Abw rmequellen bei Temperaturen von 130 150 C demzufolge konomisch und kologisch bestm glich zur Stromerzeugung herangezogen werden DeVeiec 13 Planung Aufbau und Inbetriebnahme des ORC Medienpr fstandes 13 1 Allgemein Im Rahmen eines Gemeinschaftsprojekts mit dem Projektpartner Evonik Industries soll eine Testumgebung in Form eines Pr fstands f r die Eignungspr fung weiterer Arbeitsmedien geschaffen werden Dabei ist die Konzeption Planung und Konstruktion des Pr fstands Teil der Aufgabenstellung Weiterhin erfolgt die Auslegung Auswahl und Beschaffung der passenden Komponenten nach technischen und wirtschaftlichen Gesichtspunkten Im Anschluss dieser Aufgaben erfolgt die Inbetriebnahme zur Sicherstellung der grundlegenden Funktionalit t des Versuchsaufbaus 13 2 bersicht Medienpr fstand 13 2 1 Anforderungen Der Pr fstand soll folgenden Anforderungen gen gen e Pr fbedingungen der Medien bis zu 450 C und kleiner 60 bar e Maximale thermische Leistung von etwa 11 kW e Korrosionsbest ndige Werkstoffe verwenden aufgrund aggressiver Medien e Komponenten m ssen anhand der im Versuch verwendeten Stoffe aus
151. iehe Sensor Bank A e gt Billiger Bosch Sensor liefert auch sehr gute Messwerte Trotz sehr langer Leitungsl nge und ohne Messverst rker Vergleich Motor mit normalem und defektem Einlassventil simuliert mit 2 5 mm mehr Hub Any ro 7 n J n m 7 7 7 7 7 7 i 7 i f i 7 AA AUS MI Gas 20m Mm am Da IE MORE ame Mm TF Km Ma EEE As DES Game LONN Be DES Le aa DON A Nauduauuaduan 0 0008s Wei normaler Hub und gelb erh hter Hub beides am PCB Sensor Al gemessen Gertggute unge editinte J 5 i i i e i i i i J i 200i DEN DALS Cam DO DED UES UET Kam DORI Dp Am Da OT mm oa Nom Cm a ar Le MARAD mD o Hol ktt Hier Sensor Bank PCB in rot normaler Hub lila erh hter Hub ar gcprte gre Armgensse 5 f J b i i t b i t p u u t t ti MO Aa awn w AS oa Mar O MODE cod AD Aber rS y a Dw A Cam Ka Damm MORE Mom Gm opi Int Hier Bosch Sensor A1 in gr n normaler Hub gelb erh hter Hub Getruggerte Signale a 100 af rmpituss e i I i T i _ T i T i i i Tois Qoos OMMI Dam 20 Qoz AmS amy QOM amaS ames Ae Q7 TED ADES ADTT Qom KLEE Qoy LT diea QOMT MO aom am Als Kontrolle A2 liegt bei beiden Messungen zeitgleich e An allen Sensoren ist der zeitliche Verzug an Al deutlich messbar an den Amplituden l sst sich nur wenig bis gar nichts ableiten gt N here Untersuchungen mit flie enden Daten notwendig Dynamische Untersuchung Fenste
152. igt die bisherige Lastverteilung in Worms l 140 Lastverteilung in Anlage Worms E Lastwerteillung Abbildung 106 Lastverteilung in in Worms DeVeTec Lastkennfeld Anlage Worms 100 x 0 o rI i 2 Pat a 30 r A 10 j e E gt o p 10 20 39 40 u 60 10 9 3p 100 W rmeangebot Abbildung 107 Lastkennfeld Anlage Worms DeVeTec Die hohe Teillastf higkeit kann auch in einem Lastkennfeld dargestellt werden Im Lastkennfeld ist ein linearer Zusammenhang zwischen W rmeangebot und erzeugter elektrischer Leistung erkennen Einzelne Ausrei er resultieren durch gelegentliches berschwingen der Anlage o Sal ORC Wirkungsgrad ber W rmeangebot Teillastverhalten Anlage Worms 1 40 1 0 1 00 0 80 3 5 normist ota f 0 60 DD 0 20 a 000 9 u 10 40 x au 50 Wi ro D 9 100 Wirmsangebot Abbildung 108 Wirkungsgratkennfeld Anlage Worms DeVeTec Die Maschine hier V8 zeigt auch bei Teillast hohe Wirkungsgrade auf Es besteht noch Potenzial die Teillastwirkungsgrade zu steigern indem die Maschine darauf eingestellt wird Dies bedarf aber noch einer Modifikation des Gaswechsels bedeutet dass bei sinkendem W rmeangebot das F llvolumen verringert werden muss BEE E DeVeiec 10 Planung Aufbau und Inbetriebnahme der Feldtestanlage am Standort Boffzen 10 1 Allgemein Die erdgasgefeuerte Glasschmelze von Noelle und von Campe Glash tte G
153. im Druckhub aus den Kolben austritt Somit wird das l beim Druckhub nur nach vorne in Richtung der Membranr ckseite gef rdert Der dabei entstehende Druck lenkt diese aus Der Druck ist nahezu gleich des an der Medienseite der Membrane anstehenden Drucks Dadurch kann von einer druckausgeglichenen Membrane gesprochen werden Beim R ckhub werden die Hydraulik Kolben durch R ckstellfedern und somit auch die Membrane wieder in die Ausgangslage gebracht Da mehrere Membranen im Pumpenkopf radial zueinander versetzt angeordnet sind und die Pumpen mit relativ hohen Drehzahlen arbeiten berlagern sich die einzelnen Druckh be zu einem konstanten F rderstrom der meist keinerlei D mpfung bedarf Der Vorteil besteht darin dass bei einer Kolbenmembranpumpe keine Dichtungen ben tigt werden Weiterhin besteht eine Trockenlauff higkeit sodass auch gasf rmige Bestandteile im System keine Sch den an der Pumpe hervorrufen w rden In folgender Tabelle sind die wichtigsten Eigenschaften zusammengefasst Tabelle 1 Parameter Speisepumpe DeVeTec Temperatur Medium 50 70 C Drehzahlregelung Mit Frequenzumrichter Werkstoff Edelstahl 1 4571 DeVe cc Der Verdampfer hat die Aufgabe das fl ssige Medium zu verdampfen und in die trockenges ttigte Dampfphase zu berhitzen Der Verdampfer simuliert im Pr fstand einen W rmetauscher der in der Realit t durch eine Abw rmequelle wie z B Rauchgas gespeist w rde In diesem F
154. in 15 Zoll Multipanel mit TFT Farbdisplay und Touchbedienung eingesetzt Da die ORC Anlage f r den Betrieb ohne Beaufsichtigung vorgesehen ist wird das Multipanel gr tenteils bei der Inbetriebnahme und zur Kontrolle und berwachung des Prozesses genutzt Das Panel verf gt ber einen 12 MB gro en Arbeitsspeicher und einen speziell f r WINCC flexible Optionen weiteren Speicher von 12 MB Durch eine SD Memory Card kann der Speicher mit bis zu 2GB erweitert werden Des Weiteren verf gen alle Ger te ber einen remanenten Speicher f r SPS Daten und einen zus tzlichen remanenten Meldepuffer ohne Batterie Als Schnittstellen stellt das Panel 2x RJ 45 Ethernet 2x USB 1x RS 485 2x RS 422 1x kombinierter SD Multi Media Card Slot und einen CF Card Slot zur Verf gung Abbildung 60 Multipanel MP377 7 1 2 5 IPC 427D Zur Datenspeicherung und Datensicherung wird ein Industrie PC verwendet Der IPC hat durch seine kompakte Bauform und durch die robuste Bauweise optimale Voraussetzungen f r den Betrieb in der Industrie Er kann ganz einfach im Schaltschrank auf einer Hutschiene montiert werden Durch die hohe Vibrations Temperatur Schock und EMV Vertr glichkeit sowie durch die Verwendung nicht drehender Teile und den l fterlosen Betrieb kann der IPC im 24 Stunden Dauereinsatz betrieben werden Durch eine integrierte PROFINET Schnittstelle kann eine durchg ngige echtzeitf hige Kommunikation von der Feldebene bis hin zur Unternehmensleit
155. in einen zus tzlichen Beh lter str men bevor es wieder in den Kreislauf bef rdert wird Abbildung 32 Gasseite des Schlosskastens DeVeTec An der Au enseite der Schlossk sten befinden sich ffnungen durch welche die Reiter Schellen montiert werden k nnen und welche bei Bedarf zur Kontrolle der Dichtungen ge ffnet werden Zus tzlich kann dieser Bereich f r anfallende lr ckst nde die an der labstreifdichtung noch vorbeigelangen zur R ckf hrung in die lwanne genutzt werden 53 ge LE Abbildung 33 Montage und Kontroll ffnung des Schlosskastens DeVeTec Die Zylinderb nke dienen zur Aufnahme der Zylinderlaufbuchsen des ORC Expansionsraumes Die Zylinderlaufbuchsen werden in eine Passung eingesetzt und zentrieren sich zus tzlich ber den Bund der Zylinderlaufbuchse Eine Belastung des Raumes unter dem Kolben kann durch ein BlowBy ber die Kolbenringe aus dem Arbeitsraum entstehen da nicht davon auszugehen ist dass die Kolbenringe den Arbeitsraum zu 100 abdichten Abbildung 34 Aufnahme der Laufbuchsen in der Zylinderbank DeVeTec Diese eventuell auftretende Leckage ber die Kolbenringe BlowBy in den Raum unter den Kolben muss abgef hrt werden Abbildung 35 ffnungen zum Druckausgleich unter den Kolben und zum Abtransport von Kondensat der Zylinderbank DeVeTec Ein weiterer Vorteil dieser Bauweise besteht darin dass bei Defekten an einem Zylinder nicht alle Zylinder der Motorseit
156. inigungen und Fluidreste in der Anlage vor Versuchsbeginn Feststellung eventueller Medienzersetzung unter Temperatureinfluss vor Versuchsbeginn Feststellung eventueller Verunreinigungen und Fluidreste im Expandersystem vor Versuchsbeginn Feststellung von Fluidver nderungen und wachsenden Verschmutzungen Musste aufgrund von Verlusten Undichtigkeiten Medium nachgef llt werden wurde davor und danach eine Probe entnommen Feststellung der Fluidver nderungen durch Temperatureinfluss sowie der oberen Einsatzgrenze Bei der Probennahme aus der Anlage war es wichtig die F llung der Probenflasche wenige ml aus dem aktiven Medienstrom des Systems zu ziehen Da sich kurz hinter den H hnen zur Probennahme oft mehr oder weniger Totwassergebiete gt unbeanspruchtes da nicht umlaufendes Medium befinden k nnen war entsprechend die erste Menge der Entnahme zu verwerfen Des Weiteren wurde der Einfluss von ORCent111 auf die Anlagenbauteile beobachtet Dabei standen vor allem die Dichtungsmaterialien im Anlagensystem und am Expander sowie die Drehschieberlagerung im Vordergrund Dazu wurde die Anlage laufend auf auftretende DeVeiec Undichtigkeiten sowie erh hte Reibung am Expander berpr ft sowie Dichtungen und Lager bei Wartungen und Reparaturen begutachtet Selbstverst ndlich wurden auch sonstige Bauteile durchgehend im Auge behalten Ebenso wurden verschiedene Dichtungen bei Raumbedingungen in ORC
157. kann Zudem muss unterschieden werden ob eine Unterschreitung der unteren Abgastemperatur im Anfahrprozess der ORC Anlage f r wenige Stunden unterschritten werden darf Wenn eine kurzzeitige Unterschreitung nicht auftreten darf muss der Abgasvolumenstrom der den ORC Verdampfer passiert geregelt werden Aufgrund der Komplexit t mancher Industrieanlagen bedeutet die Kl rung dieser Fragen einigen Zeitaufwand e Rauchgaszusammensetzung In Abh ngigkeit der W rmequelle und des nachgeschalteten Produktionsprozesses k nnen die Rauchgase Verunreinigungen enthalten die f r die Auslegung des W rmetauschers relevant sind Das Abgas sollte auf folgende Bestandteile berpr ft werden o SO o HCL o HF o Staub In der Regel liegt ein Emissionsgutachten vor das Ausk nfte ber die Zusammensetzung des Rauchgases bereitstellt e Zul ssiger Druckverlust Da wir die vorhandenen Abgasstr me ber Klappen auf die ORC W rmetauscher lenken kommen weitere Leitungswiderst nde hinzu die den vorgelagerten Prozess st ren k nnten In Abh ngigkeit des erlaubten Staudrucks wird der zul ssige Druckverlust im W rmetauscher definiert DeVe iec e Je nach Aufstellungssituation k nnen sich die Abma e des W rmetauschers ndern Daher muss der Hei gasrohrleitungsverlauf bei beengten Platzverh ltnissen skizziert sein damit die Lage der Anschlussstutzen definiert werden kann Je nach Anforderung kann es sein dass in das Abgassystem ein Saugzu
158. kraftwerken die mit Biogas betriebenen Gasmotoren ausgestattet sind ausgelegt Die W rmetauscherleistung liegt bei 800kW Das Konzept sieht vor dass zwei unabh ngige Abgasw rmestr me genutzt werden k nnen um das W rmetr germedium Ethanol zu erw rmen zu verdampfen und anschlie end zu berhitzen Der W rmetauscher ist f r unterschiedliche Betriebspunkte ausgelegt sodass die Gesamtanlage selbst bei gro er Abweichung vom optimalen Betriebspunkt funktionsf hig bleibt Folgende Betriebspunkte k nnen realisiert werden e Vollauslastung beider Gasmotoren e 75 Auslastung beider Gasmotoren e 100 Auslastung und 50 Auslastung beim jeweiligen Gasmotor Das W rmetauschergesamtsystem ist f r die Verwendung von Gasmotoren des Typs MWM TCG 2016C V16 vorgesehen Nach Abstimmung mit dem W rmetauscherhersteller kann es aber auch auf andere Motoren adaptiert werden Wegen der hohen Rauchgastemperaturen von bis zu 550 C sind die Rohrschlangen und das Geh use aus Edelstahl gefertigt das den hohen Temperaturen standh lt und zu denen es auch verl ssliche Berechnungskennwerte gibt Nebeneffekt der Edelstahlausf hrung ist die Tatsache dass auch bei Anlagenstillstand das Innere des W rmetauschers nicht infolge von Kondensatbildung anf ngt zu korrodieren Um den Korrosionsangriff auf den W rmetauscher infolge von Schwefelverbindungen zu unterbinden m ssen Ma nahmen ergriffen werden die in der technischen Beschreibung zur L sung der Schwefe
159. kurven Parameter und Einstellwerte werden automatisch oder benutzerspezifisch aufgezeichnet und in allgemeing ltige Datenformate abgespeichert sodass diese sp ter mit handels blicher Software ge ffnet werden k nnen 107 1 O 8 7 2 4 Ergebnisse 7 2 4 1 Fallbeispiel A Noise und Vibration Guard hat ber Schnellstopp bei 90 kW die Maschine Fenne am 09 12 2013 mit folgenden Ergebnissen angehalten kar k A rechts gut in Bank A Rechts schlecht deut cher Unterschied im Timing f hrte zum Schnellstope der Maschine ca E KW Schlie event A2 GW Verletzungen Danik A rechts GW Verletzungen fank A rechts ICP 4 t t300 00 13 30 00 14 0000 14 3000 15 00 00 15 30 00 16 0000 DeVeiec Nach dem ffnen der Maschine war der Schaden direkt erkennbar Eine Windung der Feder im Einlassbereich ist gebrochen und verursachte somit die unterschiedliche Steuerzeit gegen ber einer nicht defekten Maschine Fazit Gravierende Federbr che sind in der Zeitbetrachtung gut erkennbar Mit RMS oder Amplitude ist dies sehr schlecht bis gar nicht zu erkennen 7 2 4 2 Fallbeispiel B Noise and Vibration Guard hat am 10 01 2014 die Maschine in Fenne mit folgenden Ergebnissen angehalten Schnelltopp apo Schnellstopp Fenne 10 01 2014 11 44 Uhr NN IN 7 w Mn nk A links Jad Gre nrin ve 400 100 200 Deutlich zu erkennen ist dass sich nur ein Event vers
160. lche durch die Druckunterschiede zwischen Zylinder und Hochdruckkammer des Drehschiebers entstehen abfangen Ebenfalls muss an dieser Stelle die nicht unerhebliche Gewichtskraft der Welle mit ber cksichtigt werden Die axiale Lagerung h lt die Welle und damit auch die Schieber in ihrer Position Lagerstellen der Auslasswelle Abbildung 45 Lagerstellen am Beispiel der Auslasswelle DeVeTec Die zu Beginn verbauten abgedichteten Standardlager konnten den Belastungen und Temperaturen vor allem im Einlassbereich nicht standhalten und fielen nach kurzer Zeit aus Bei der Demontage der Lager wurde deutlich dass die werkseitig verbauten Dichtungen das Fett bei den herrschenden Temperaturen nicht im Lager halten kann und es dadurch zu einem Trockenlauf und aufgrund dessen zum Ausfall kam Aus diesem Grund wurden Hochtemperaturlager verbaut welche sich sowohl in der Art des Schmierstoffes als auch in der Art der Abdichtung von den Standardlagern unterscheiden Allerdings kam es auch hier nach kurzer Betriebsdauer zum Ausfall der Lager In einem weiteren Schritt wurden in der Steuerung Vollkeramikkugellager verbaut und in der Versuchsumgebung Fenne getestet Auch diese Lager fielen nach kurzer Zeit aus Beim Zerlegen der Steuerung wurde deutlich dass die Lagerk fige aus PEEK Kunststoff durch den Dampf welcher durch das Geh use str mt aus dem Lager gedr ckt wurden und die W lzk rper der Lager nicht mehr gleichm ig in den Lagerschalen ve
161. le f hren kann unabh ngig davon ob die Bauteile aus einfachem Kohlenstoffstahl oder Edelstahl gefertigt sind Da die Verdampfereinheit 20 der Gesamtinvestitionskosten ausmacht muss vermieden werden dass diese Komponente vorzeitig ausf llt da sich sonst die Amortisationszeit f r die Gesamtanlage verl ngert Zudem ist die Anlagensicherheit gef hrdet wenn die drucktragenden Rohre im Verdampfer infolge von Korrosion platzen w rden Daher wurden folgende Ma nahmen ergriffen e Begrenzung des Schwefelwasserstoffanteils e berschreitung des Taupunktes von Schwefliger S ure im Betrieb Begrenzung des Schwefelwasserstoffanteils im Biogas Zur Einhaltung der vereinbarten Schwefelwasserstoffgrenzkonzentration ist es notwendig dass die Messung kontinuierlich durchgef hrt wird Bei berschreitung des Grenzwertes muss die Verdampfereinheit abgeschaltet werden und darf erst dann wieder in Betrieb genommen werden wenn die Grenzwerte ber einen l ngeren Zeitraum konstant unterhalb der vorher definierten Alarmschwelle liegen Grund hierf r ist dass beim Anfahren der erkalteten Verdampfereinheit die Rauchgastemperatur unterhalb des Taupunktes f r schweflige S ure f llt wenn auch nur f r ein bis zwei Stunden Ein weiterer Punkt f r die Einhaltung der Schwefelwasserstoffgrenzkonzentration betrifft die Gew hrleistungs vereinbarungen mit dem W rmetauscherhersteller Kann der Betreiber der Anlage nachweisen dass zu jedem Zeitpunkt die Konzen
162. leitungen ca 15 30 m s vor Werden Rohrleitungen zu d nn ausgelegt wird die Str mung stark behindert Werden Sie zu gro ausgelegt berdimensionierung steigen die Kosten immens DeVeiec Tabelle 6 Berechnung der Rohrinnendurchmesser der Teilstrecken DeVeTec Massenstrom 0 0063 kg s Medium Ethanol Pumpe Verdampfer fl ssig Verdampfer Expander Dampf Expander Kondensator Dampf Kondensator Pumpe fl ssig Bemerkung Medium Wasser Massenstrom 0 431 kg s In Tabelle 6 sind die Mindestquerschnitte f r die jeweiligen Teilabschnitte des Rohrleitungssystems aufgelistet Der K hlkreislauf ist unabh ngig vom Hauptkreislauf und hat daher aufgrund der eigenen Pumpe einen h heren Massenstrom Die Rohrleitungen des Unterdrucksystems und des Wechselsystems spielen eine untergeordnete Rolle da sie im Kreislauf nicht direkt angebunden sind und werden an die brigen Leitungen angepasst Die n chste Betrachtung bezieht sich auf die Wanddicke der jeweiligen Rohre Diese ist entscheidend abh ngig vom Festigkeitskennwert K des eingesetzten Werkstoffes In der Regel wird der Festigkeitskennwert bei Normbedingungen angegeben Jedoch sinkt der Festigkeitskennwert bei Temperatureinwirkung und somit auch der maximal auszuhaltende Druck Abbildung 142 verdeutlicht dies am Beispiel von Edelstahl vom Typ 1 4571 Rt Yo BER DeVe iec IN S a T n e D i i s b c c 2
163. lern und einer Energierecheneinheit Die Messung des Durchflusses erfolgt magnetisch induktiv Das Messprinzip dieser Durchflussmesser nutzt die Trennung bewester Ladungen in einem Magnetfeld Der Durchflussmesser besteht aus einem nicht ferromagnetischen Messrohr das eine elektrisch isolierende Auskleidung besitzt Zwei mit der Fl ssigkeit in Ber hrung stehenden Elektroden messen den induzierten Strom Die stromdurchflossenen Feldspulen erzeugen ein Magnetfeld mit der Induktion B senkrecht zur Rohrl ngsachse Spannungs messer Isoliertes Rohr Elektrode Br Abbildung 139 Prinzip eines magnetisch induktiven Durchflussmessers 179 DeVe ec 180 Dieses Magnetfeld durchdringt das Messrohr und die darin flie ende Fl ssigkeit die elektrisch leitf hig sein muss Entsprechend dem Induktionsgesetz wird in der Fl ssigkeit eine Spannung Una induziert die der mittleren Flie geschwindigkeit v der Fl ssigkeit der Induktion B und dem Innendurchmesser d des Rohres proportional ist F r die induzierte Spannung gilt vereinfacht U k d B v 13 1 Mit dem Durchfluss q 2 4 13 2 und der Wandlung der Signalspannung folgt schlie lich rd De y a N find ind 4 k B 13 3 Die Vorteile eines magnetisch induktiven Durchflussmessers beruhen darauf dass keine Anbauteile im Str mungsquerschnitt vorhanden sind Somit gibt es keinen mechanischen Verschlei und keinen Druckverlust Um nun die Leistung des K h
164. llungskosten Die Festlegung der Mindesttemperatur sollte dem Anlagenbetreiber auferlegt werden da er die Prozesse in seinem Hause am besten kennt DeVeiec 40 Zur Visualisierung der Messergebnisse sind die Temperaturen nach Rekuperator und die Rauchgasmenge gesamt ber die Zeit aufgef hrt Zwecks berpr fung der Korrelation zwischen Temperatur und Rauchgasmenge wurden diese ins Verh ltnis gesetzt und in Form eines Graphen visualisiert Abbildung 18 Diagramm auf Basis des Messschriebs DeVeTec Der Verlauf l sst erkennen dass die nutzbare W rmemenge diskontinuierlich zur Verf gung steht da die Rauchgastemperaturen und die Abgasmenge stark variieren Es gibt Plateaus wo Temperatur und Abgasmenge ber einen l ngeren Zeitpunkt auf hohem Niveau liegen Dann trifft ein Ereignis ein wodurch Temperatur und Abgasmenge stark abfallen und auf einem tieferen Niveau verharren Dann trifft wieder ein Ereignis ein wodurch Temperatur und Abgasmenge stark steigen und wieder auf ein hohes Niveau hinauslaufen Dieser Verlauf ist typisch f r das An und Abfahren eines Kupolofens wobei das Abfahren niemals zum Ausk hlen des Ofens f hrt Um Spannungssch den zu vermeiden wird der Ofen immer auf einer gewissen Temperatur gehalten Zur Absch tzung der minimalen und maximalen Betriebszust nde ist es ratsam jeden Tag dieser Messreihe zu untersuchen um Regelm igkeiten erkennen zu k nnen Diese Analyse sollte in Zusammenarb
165. lwasserkreislauf ist nach der Speisepumpe im Hauptkreislauf eine weitere Messstelle f r den Durchfluss des Arbeitsmediums vorgesehen Hierbei handelt es sich um einen Coriolis Durchflussmesser 191 DeVeiec 192 Wird eine in Bewegung befindliche Masse einer Schwingung quer zur Bewegungsrichtung ausgesetzt so treten abh ngig vom Massestrom Corioliskr fte auf Bei einem Coriolis Massedurchfluss Messger t werden die Messrohre dazu in Schwingung versetzt Flie t ein Medium Masse durch diese schwingenden Messrohre so entstehen Corioliskr fte Die dadurch ver nderte Rohrschwingungsgeometrie wird mittels Sensoren ein und auslaufseitig als Phasendifferenz erfasst vom Messsystem ausgewertet und daraus der Massedurchfluss abgeleitet Die Schwingfrequenz der Messrohre selbst ist zudem ein direktes Ma f r die Messstoffdichte Schwingendes U f rmiges Me rohr Fl ssigkeits kr fte un Antriebskraft Fl ssigkeits kr fte Abbildung 146 Prinzip eines Coriolis Messrohres Als vorteilhaft anzusehen bei diesem Verfahren ist die Unabh ngigkeit gegen ber Leitf higkeit und Dichte des Messstoffes Weiterhin besitzt es eine hohe Messgenauigkeit und arbeitet v llig verschlei frei Der Nachteil liegt darin dass das Medium homogen und einphasig vorliegen muss Ablagerungen in den Messrohren k nnen zu Fehlern f hren Weiterhin sind die hohen Anschaffungskosten nicht au er Acht zulassen 13 4 4 F llstandsmessu
166. lwasserstoffproblematik n her erl utert werden Schwefelwasserstoffproblematik Bei der Verg rung von Biomasse entsteht im Fermenter Schwefelwasserstoff In Abh ngigkeit des Substrats k nnen Schwefelwasserstoffkonzentrationen von 150 5000ppm entstehen Schwefelwasserstoff wird mit dem Methan im Gasmotor verbrannt Aus H2S und Sauerstoff entsteht bei der Verbrennung Schwefeldioxid S02 das zusammen mit dem im Rauchgas gel sten Wasserdampf zu Schwefliger S ure H 50O reagiert Sofern der Taupunkt der Schwefligen S ure nicht unterschritten wird bleibt die Verbindung gasf rmig und kann ber die Rauchgase an die Umgebung abgegeben werden Bei Unterschreitung des Taupunktes werden kalte Oberfl chen mit Schwefliger S ure benetzt wodurch es an metallischen Oberfl chen zu Korrosion kommt Die H he des Taupunktes ist haupts chlich abh ngig vom Schwefelwasserstoff im Biogas und vom Wassergehalt im Rauchgas Je h her DeN elec der Schwefelwasserstoffanteil im Biogas und der Wasseranteil im Rauchgas sind desto h her ist der Taupunkt Zur Absch tzung des Taupunktes kann man entweder eine Worst Case Betrachtung machen oder man kann f r einen station ren Betriebspunkt eine Taupunktmessung im Rauchgas veranlassen Technische Beschreibung zur L sung der Schwefelwasserstoffproblematik Beispiele aus der Praxis haben gezeigt dass Korrosion infolge von Schwefliger S ure innerhalb von wenigen Betriebsstunden zum Versagen der Bautei
167. lwasserstromes berechnen zu k nnen ben tigt man die genaue Temperaturdifferenz Dazu wird in die Vorlauf und R cklaufleitung jeweils ein Temperaturf hler eingebaut hier PT100 Die Rechnereinheit berechnet nun mit der bereits bekannten Formel aus den Messwerten die aktuelle Leistung und W rmeabgabe aus dem ORC Prozess Die Werte k nnen sp ter ber eine Mod Bus Schnittstelle in die Steuerung eingebunden werden 13 2 3 7 Unterdrucksystem Durch das Unterdrucksystem soll es im Testbetrieb m glich sein das Arbeitsmedium nach der Expansion noch weiter zu entspannen Der erreichbare Druck soll dabei unterhalb von 1013 mbar liegen In folgender Abbildung ist das Unterdrucksystem schematisch dargestellt Das Bild zeigt den bereits beschriebenen Ausgleichsbeh lter die Vakuumpumpe ein Steuerventil zur Regelung sowie eine Druck berwachungseinrichtung IZAR Y PSI 708 A 206 N B71 206 EEE IR AZ _ Rezipient P22 Druckbereich Membranvakuumpumpe 0 20 bar abs Saugverm gen 13 l min Vakuumdruck 53 mbar abs Abbildung 140 Unterdrucksystem im R amp I Schaubild DeVeTec DeVe ec Der Bauart der Vakuumpumpe ist eine Membrankolbenpumpe Sie ist in der Lage ein Vakuum von 53 mbar absolut zu erzeugen Das Saugverm gen betr gt maximal 13 I min Da sich in dem Druckbeh lter trotz Kondensation des Mediums gasf rmige Bestandteile befinden k nnen kann das Medium in einen Auffangdruckbeh lter geleitet werden Eine Bypass
168. m am Expanderkopf vorhandenen W rmeverluste das Ergebnis des inneren Wirkungsgrades W ren diese z B so gro wie die Dissipation so w re im T s Diagramm eine isentrope Expansion zu erkennen was jedoch real nicht der Fall ist Daher kann der W rmeverlust den inneren Wirkungsgrad sch nen Die realen inneren Wirkungsgrade d rften daher etwas kleiner ausfallen 2 A 2 Druckverl ufe im Zylinder In den folgenden Abbildungen sind die Druckverl ufe im Zylinder zu erkennen Hier wird der Unterschied zum idealen Expander deutlich Aussto und F llvorg nge verlaufen nicht exakt isobar bzw isochor O Druck vor Expander ORCent111 Druck vor Expander Ethanol p bar UT S XCent111 cm 9 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 115 120 125 130 135 140 145 150 155 160 165 Totvolumen 5 Abbildung 170 Druckverlauf im Zylinder bei 130 C Eintrittstemperatur DeVeTec p bar S RCent111 Druck vor Expander ORCent111 Druck vor Expander Ethanol eb z 2 oO 2 UT io com E 8 5 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105110 15 120 125 130 125 140 145 150 155 160 165 Abbildung 171 Druckverlauf im Zylinder bei 140 C Eintrittstemperatur DeVeTec DeVeiec Druck vor Expander ORCent111 ES RCent111 Druck vor Expander Ethanol E Ss Fr A NDS o NEN a O e eaea a ON r UT Ei cm a aaa aaa 5 15 2
169. mbH NuvC stellt der ORC Anlage Boffzen durch eine aufwendige Rauchgasaufbereitung mittels Elektrofilter und Kalkeind sung ein qualitativ hochwertiges Rauchgas zur Verf gung Die Rauchgasmessungen haben ergeben dass an der f r die Einbindung vorgesehenen Position des W rmetauschers weder S uretaupunkte noch andere Probleme ber cksichtigt werden m ssen Bereits bei der Planung des Glaswerks und insbesondere des Rauchgasweges durch NuvC in 2009 wurde ber eine M glichkeit zur Nutzung der thermischen Restw rme des Rauchgases nachgedacht Daher wurde ein leicht zug nglicher senkrechter Rauchgaskanal installiert der mit passenden Flanschanschl ssen f r die Installation einer W rmer ckgewinnungsanlage ausgestattet wurde Weiter wurde eine ausreichend gro e Fl che f r selbigen Zweck BB ww E vorgesehen Abbildung 109 Urspr nglicher Rauchgasweg DeVeTec 143 Abbildung 110 Aufstellungsort DeVeTec Entsprechend besitzt die Abw rmequelle dieser Feldtestanlage optimale Voraussetzungen f r einen platzsparenden und einfach zu integrierenden Rohrleitungsbau mit kurzen Wegen im Ethanol Heiz und K hlkreis Eine weitere wesentliche Charakteristik der W rmequelle ist die hohe Verf gbarkeit von nahezu 8 600 Stunden im Jahr Die Besonderheit der Feldtestanlage ist die Neuentwicklung des V 12 Dampfexpansionsmotors und die M glichkeit die Anlage ganzj hrig mit konstanter Leistung zu betreiben Die ORC Anlage b
170. mgpfer Jbergebepunk am Verdampfer Oben DN6S Fiansch am Verdempier Heilidempf Unten DNS5 Flansch um Verdumgfer f r Ethanol Spesi Abbildung 135 Rohrleitungsverlauf auf dem Gel nde der Badischen Stahlwerke DeVeTec 166 Die unteren Abbildungen zeigen die tats chlich geschwei ten Rohrleitungen auf dem Gel nde der Badischen Stahlwerke m tnai ui ei Abbildung 137 Rohrleitungsverlauf auf dem Gel nde der Badischen Stahlwerke DeveTec 167 DeVeiec 168 Inbetriebnahme Derzeit befindet sich die Anlage in der Inbetriebnahme Die Leistung wird schrittweise nach oben gefahren bisher liegt die Nennleistung bei 110 kWa Frischluft und Saugzuggebl se erf llen Ihre Funktion ohne dass der Ofendruck von 5 bis 7Pa gef hrdet wird Auch die Pr fung vor Inbetriebnahme wurde bereits durchgef hrt Die f r den Pr fer relevanten Sicherheitsfunktionen wurden im Betrieb der Anlage getestet und haben den Anforderungen standgehalten Nach m ndlicher R cksprache mit dem T V sind nur kleine M ngel zu beheben Wegen der sicherheitsgerichteten Software ist noch ein zweiter T V Termin f llig DeVe ec Im Rahmen des Projektes W rme ORCent Dampfexpansionsmotor f r die Nutzung 12 Verbundprojekt Evonik Degussa Schott AG DeVeTec GmbH niedertemperierter W rmestr me Phase 2 Feldtest wurden zwei weitere F rdervorhaben als Verbundprojekte genehmigt und bearbeitet Verbundprojektpartner waren
171. n 7 2 3 2 Die Plus Variante In der Plus Variante k nnen verschiedenste Prozess und Motordaten berwacht werden Diese Daten werden i d R ber Bus Modbus od Profibus bzw Profinet eingelesen DeVeTec benutzt diese Variante um den kompletten ORC Prozess neben der ORC Prozesssteuerung Deif oder Siemens zu berwachen und ggf einzugreifen 7 2 3 3 Softwaremodule 7 2 3 3 1 HMI Schnittstelle Bedienoberfl che 3 Tea Lore Hi k iy 13 zu i B Ip a s r zur gt r 3 3 mn k i l zii TAa i 0 gt za LAA Noo i T 5 A B Bs Fs i mu 5 E So w MYURES I AAN p Ey lt ber Iapa ues be V atisto mirng lAlzermean HMS I tst gt pt P Ditu l Jm S r y A g re es Die wichtigsten Kenngr en und Anzeigen erfolgen auf einem Hauptbildschirm F r den Bediener gibt es einfache klare Strukturen z B die Ampel die auf einem Blick verdeutlicht ob die berwachung aktiv und im Normbereich arbeitet 7 2 3 3 2 Datenerfassung Die Datenerfassung dient zur Aufnahme der Messdaten damit diese in den weiteren Modulen verarbeitet werden k nnen F r eine Analyse werden 3 Umdrehungen im Zeitbereich aufgezeichnet Die Standardabtastrate liegt bei 51 2 kHz synchron f r alle acht Kan le Um einen hohen Informationsgehalt zu erreichen wird auf Hardwarefilter verzichtet ungetriggerte Rohsignale 100 v OT Ref IV 80 Motormitte AN 60
172. n her eingegangen wird Der Kreuzkopf und die Kolben samt Kolbendichtungen konnten unver ndert auch f r andere Anlagen eingesetzt werden Anderungen des Einlassventilsitzes bez glich der Verstellung Der Einlassventilsitz wurde von unten in den Zylinderkopf geschraubt und konnte urspr nglich ber eine Verstellung um 2 mm bewegt werden Mit dieser Verstelleinheit konnte man in kleinen Grenzen den Zeitpunkt der ffnung und den ffnungsquerschnitt ver ndern Allerdings stellte man relativ fr h fest dass sich dieser Verstellmechanismus in der Praxis nicht bew hrt Zudem musste bei nderungen an den Ventilen oder der Feder der ganze Zylinderkopf ausgebaut werden Daher hat man bei allen zuk nftigen Versionen die Konstruktion dahin gehend ge ndert dass der Ventilsitz samt Ventil und Feder von oben montiert werden kann Anderung der Materialpaarung an der Auslassventilsteuerung Die schmierungsfreie Bet tigung der Auslassventile wurde am Anfang der Entwicklung mit Bauteilen aus dem Normteilkatalog zusammengesetzt Es wurden geh rtete Materialien eingesetzt deren Oberfl chen zus tzlich beschichtet wurden Es wurden auch andere Materialpaarungen bei unterschiedlichen Oberfl cheng ten getestet was aber zu keinem Erfolg f hrte Daher hat man sich in dem Bereich auf Hochleistungskunststoffe konzentriert die Entwicklungen dauern noch an Expanderdrehzahlanpassung Gegen ber der Anlage in Fenne stehen bei der Biogasanlage in Kirchwal
173. n und Austrittstemperaturen der Massendurchsatz Da der Expander jedoch bei gleicher Temperatur mit etwa konstanter Drehzahl und F llvolumen sprich konstantem Volumendurchsatz dreht muss sich in der Folge auch die Mediendichte also der Druck vor Expander anpassen Dieses neue Expansionsgef lle beeinflusst den Wirkungsgrad Das Medium tritt mit ver nderter Temperatur aus dem Expander aus Aus diesem Grund wurde die korrigierte Verdampferleistung normiert um einen korrigierten Eintrittsdruck zur erhalten Mkorr _ Oykorr N _ Peinkorr P Qv korr N F z gt Peinkorr Peint Be oe By ET Ayrkore R 14 4 2 7 DeVe ec 3 Druck am Expanderaustritt Der Druck am Expanderaustritt ist abh ngig vom Druck im Kondensator bzw Vorlagebeh lter Die Differenz zwischen Austritt und Vorlagebeh lter ist auf Reibungsverluste im System zur ckzuf hren Das Arbeitsfluid str mt aus dem Expander in den Kondensator und anschlie end in einen Vorratsbeh lter woraus die Medienpumpe den Verdampfer speist Wie bereits angesprochen soll zur Verhinderung von Lufteintritt von au en durch eventuelle Undichtigkeiten nicht ins Uhnterdruckgebiet entspannt werden Daher herrscht in Kondensator und Vorlagebeh lter Umgebungsdruck Da die Medien im vorliegenden Fall immer unterk hlt wurden stellte die Stickstoffversorgung den Druck auf Umgebungsniveau sicher Es musste jedoch festgestellt werden dass eine leichte Druck nderung im Auslasssystem die
174. n Kolben und Kreuzk pfe gefertigt werden Auf den Einsatz eine Nockenwelle zur Ventilsteuerung kann verzichtet werden Dazu wird eine neu entwickelte Ladungswechselsteuerung am Motor verbaut Es handelt sich dabei nicht um eine gew hnliche Ventilsteuerung wie bei einem Verbrennungsmotor sondern um eine Drehschiebersteuerung mit Einlass und Auslasskugeln als Ladungswechselorgane Die Kugeln haben unterschiedlich gro e Durchmesser Die beiden gr eren Einlasskugeln haben eine spezielle Einlassquerschnittsgeometrie die es erm glicht sehr kurze Einlasszeiten zu realisieren Die Auslasskugeln sind kleiner gestaltet wobei diese erm glichen das entspannte Medium ber DeVe ec 180 KW abzuleiten Die beiden Drehschieberwellen werden ber einen Riemen von der Kurbelwelle angetrieben Die Drehzahl der Drehschieberwelle ist aufgrund des 2 Takt Verfahrens des Dampfmotors gleich der Kurbelwellendrehzahl Das weitere Prinzip hnelt dem bereits erl uterten Dampfmotor Ein weiteres besonderes Merkmal liegt bei der Totvolumenverstellung Hierbei kann das Totvolumen an den entsprechenden Lastpunkt und an die Eigenschaften des benutzten Mediums angepasst und der Wirkungsgrad optimiert werden W hlt man beispielsweise ein geringes Totvolumen so erreicht man ein gr eres Druckgef lle zwischen Einlass und Auslass was sich in einer Leistungssteigerung auswirkt Au erdem ist der Dampfmotor in jedem Zylinder mit einem Piezodruckaufnehmer ausge
175. n des W rmetauschers Der W rmetauscher wird im Kreuzstrom betrieben d h von unten str mt das kalte Ethanol durch die Heizschlangen nach oben und wird am Ende der Heizschlangen erhitzt W hrend das Ethanol von unten nach oben str mt bewegt sich das Hei gas von oben durch das Geh use nach unten Aufgrund der Bauh he von acht Metern wurden St tzgeometrien in Form von IPB Tr gern auf der Bodenplatte des W rmetauschers angeschwei t Dadurch kann auf zus tzliche Fundamente auf der Baustelle verzichtet werden da die St tzelemente die Fundamente des W rmetauschers mitnutzen DeVeiec 6 1 1 3 Vorgehensweise zur Auslegung von W rmetauschern bei diskontinuierlichen W rmestr men Grundanforderung und Ziele Die Herausforderung bei diskontinuierlichen W rmestr men besteht darin einen minimalen und maximalen Betriebspunkt zu definieren bei dem der W rmetauscher und die angegliederte ORC Anlage noch wirtschaftlich arbeiten Bei ausreichend zur Verf gung stehender Abgasenergie bedarf es nur kleinen W rmeaustauschfl chen wodurch der W rmetauscher kompakt und somit preiswert hergestellt werden kann Steht dem W rmetauscher nur eine geringe nutzbare Abgasenergie zur Verf gung m ssen die Austauschfl chen entsprechend gro sein was sich auch in den Herstellungskosten widerspiegelt Dieser Zielkonflikt muss bei der Auswahl der minimalen und maximalen Betriebspunkte ber cksichtigt werden Je nachdem wie weit die minimal
176. n einer Zwischenstellung Teil ffnung gehalten werden k nnen Elektrische Stellantriebe bei Ventilen dieser Gr enordnung verursachen jedoch gro e Anschaffungskosten sodass auf eine pneumatische Steuerung zur ckgegriffen wurde Ein Stellungsregler wird mit einem 4 20 mA Signal angesteuert und gibt den entsprechenden Druck ber die hauseigene Druckluftversorgung des Unternehmens auf das Ventil Elektrisch regelbarer Kugelhahn Eine Besonderheit weist der regelbare Kugelhahn durch seine besondere Kugelgeometrie und damit mit einer gleichprozentigen Ventil ffnungskennlinie Das bedeutet dass bei Drehung des Stellmotors um einen definierten Prozentwert der ffnungsquerschnitt um den gleichen Prozentwert zunimmt egal welche aktuelle Stellung das Ventil hat Die Kugel hat keine normale Durchgangsbohrung wie bei g ngigen Modellen sondern einen mit dem ffnungswinkel progressiv gr er werdenden Schlitz Abbildung 143 Regelbarer Kugelhahn mit besonderer Kugelgeometrie DeVeTec Auch hier wird der Stellmotor ber einen Signalwandler mit Stellbefehlen versorgt Das Ventil ist zur Regelung des K hlwasserstroms V 207 zust ndig Durch die geringen Belastungen und Anforderungen kann die Dimensionierung eher klein ausfallen was das Ventil mit Steuereinheit sehr kosteng nstig werden l sst Sicherheitsventil Zur Absicherung der Anlage gegen berdruck und berbelastung einiger Bauteile werden mechanische Sicherheitsventile verw
177. ndet Rauchgasseitig wird die Temperatur in der thermischen Grenzschicht bis auf die Oberfl chentemperatur der Heizschlange fallen Unter Ber cksichtigung der Ethanoltemperatur von 70 C auf der kalten Seite und der W rmeleitung durch die Rohrwand ist mit einer Oberfl chentemperatur auf der Heizschlange von 80 C zu rechnen Dies bedeutet aber auch dass die Rauchgastemperatur in den Bereichen auf 80 C f llt wodurch 1 u 1 2 lt j DeVe cc 1 AJ N im Fall der Biogasanwendung die Taupunkte von Schwefliger S ure unterschritten werden An diesen Stellen ist die Gefahr der Schwefelkorrosion am h chsten Fluid temperatur Fermische Grenzschichi temperatur Feste Wand u I u E u ic L7 E E Ee E ti E e L3 8 iE iz E E a I u Abbildung 12 W rme bergang Wikipedia Beschreibung der Ethanolvorw rmung Die Standardl sung des Rauchgasw rmetauschers besteht aus einer Verdampfereinheit und einem integrierten berhitzer der das Ethanol erw rmt verdampft und berhitzt Bei der Biogasanwendung wird vor die Verdampfereinheit mit integriertem berhitzer noch eine Einheit zur Ethanolvorw rmung geschaltet Diese Einheit besteht aus einem Plattenw rmetauscher und einem Heizpaket Vorw rmer das im W rmetauscher integriert ist Im Betrieb der ORC Anlage wird das kalte Ethanol in den Plattenw rmetauscher gepumpt der das Ethanol vorw rmt Das w
178. ndtr ger in CAD DeVerTec 20202220000000e nenne nnnnnennnnnnnnnnennnnnennnnnennnnennnnn 196 Einhausung des Pr fstandes DeVeTec s02000000000n0eseennnnennnnnennnnne nennen 197 Arbeitstisch f r Expander und Aggregate DeVeTec u0s220000000ennee en nee 199 Gestell f r Elektroerhitzer DeVeTec u0000002200 Rn een nnnennnnennnnnnnnnnnnnn nennen 200 Pr fstand mit allen wesentlichen Komponenten als CAD Modell DeVeTec 201 Lage des Schwerpunktes des Pr fstands DeVeTec 20s2222000222e nern rennen 203 Hebelarme zwischen Schwerpunkt und Rollen DeVeTec 0000 203 Ersatzsystem DeVeT EC ge 204 Temperaturkurve mit Solltemperatur SPT203 DeVeTec 000s00000002 seen 207 Druckkurve DEV TEL here ee 208 DUrchtlussk rfve DeVelec u scanni are 208 Reiter Start der Pr fstandsoftware DeVeTec 0s000000200 een eneeenennenenne 211 Reiter Status Test der Pr fstandsoftware DeVeTec u00 022220002 22 212 Sprungantwort 3 kg h DeVeTec 0002200000ennennnennnneennnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnn 213 Sprungantwort 3 kg h DeVeTec uuu000 00022eeeeeeeesnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnn 213 Reiter Ausgangswerte der Pr fstandsoftware DeVeTec 0 0000 215 Gegen berstellu
179. nen muss eine Verdrehsicherung in Form eines Zylinderstiftes angebracht werden Das Lager der Schraubenspindel wird auf dem Geh use verschraubt und auch hier nochmals mit einem O Ring abgedichtet Die Spindel an sich wird mit einer Abdeckung versehen und mit einem O Ring abgedichtet Es wird f r jeden Zylinder eine solche Totraumverstellung verbaut wodurch das Volumen vergr ert werden kann 6 3 4 Wellen der Drehschiebersteuerung Die beiden Wellen der Drehschiebersteuerung dienen zur Aufnahme der Schieber ber Bohrungen in den Wellen werden die Positionen der einzelnen Schieber ber den Zylindern bestimmt Dies gilt sowohl in axialer Wellenrichtung als auch f r die Position der ffnungen der Schieber in radialer Richtung Dabei ist zu beachten dass die Wellen vor allem die der Einlassseite einer gro en W rmeausdehnung ausgesetzt ist Dies ist beim Fertigen der Bohrungen zur Positionierung der Schieber mit einzuberechnen Es muss die W rmeausdehnung bei den vorliegenden Temperaturen berechnet und die Bohrungen dementsprechend aus Sicht des axialen Festlagers versetzt werden Bohrungen zur Positionierung der Schieber Abbildung 44 Erste Version einer Drehschieberwelle DeVeTec oo Sal DeVe ec 6 3 4 1 Lagerung der Drehschieberwellen Die Wellen der Drehschiebersteuerung m ssen sowohl in axialer als auch in radialer Richtung im Geh use gelagert werden Die radialen Lager m ssen die Kr fte auf die Schieber we
180. nen 177 Tabelle 4 Prozessdaten Ausgleichsbeh lter DeVeTec s 200000200020 2 see nnnnesnnnnennnnnennnnnennnn 178 Tabelle 5 Prozessdaten Fl ssigkeitsk hler DeVeTec 20s00000002snennnnnsnnnnennnnnennnnne nennen 179 Tabelle 6 Berechnung der Rohrinnendurchmesser der Teilstrecken DeVeTec 183 Tabelle 7 bersicht der ausgew hlten Rohrleitungen DeVeTec 20u02222444 22er ennneeeeneeeenn 185 Tabelle 8 Auszug des Messstellenplans DeVeTec 00000000000000 nenne nenne nnnnennnnnennnnne nennen 188 Tabelle 9 Iterationstabelle zur Bestimmung des austretenden Volumenstroms DeVeTec 198 Tabelle 10 Parameter der Verdampfer Sprungantworten DeVeTec 000000000020e Rennen 214 Tabelle 11 PID Reglerparameter nach Chien Hrones und Reswick Zeitbasis min DeVeTec 214 Tabelle 12 Geplante Medienproben DeVeTec us002000000000enne nenne nnnnnnnnnnennnnnennnnnennnnnennnn 220 Tabelle 13 Isentropen und Polytropenexponent sowie innere Expanderwirkungsgrade f r Ethanol Wd ORCE III DEN TE een EEE ee 239 Tabelle 14 Wirkungsgradverh ltnisse ORCent111 Ethanol DeVeTec 0uuu0000 ernennen 242 Tabelle 15 Annahmen Kennzahlen und resultierende CO Substitution der ORC Anlage Standort BOZEN IDEEN TE een ee A 256 DeVe cc 1 Aufgabenstellung Projektvorhaben
181. nen gewissen Teil der thermischen Abw rme zur Stromerzeugung einzusetzen Die um die elektrische Leistung verminderte thermische Leistung soll durch Optimierung des Trocknungsprozesses ausgeglichen werden Die Biogasanlage Kirchwalsede besteht neben den Anlagenkomponenten die zur Biogaserzeugung ben tigt werden aus zwei BHKWs und einer Trockenbandanlage Die Abw rme der beiden BHKW Gasmotoren wird haupts chlich f r den Betrieb der Trockenbandanlage genutzt Die Abw rme eines BHKW setzt sich einerseits aus der Abw rme des Motork hlwassers und andererseits aus der thermischen Abw rme des Abgasw rmetauschers zusammen Mittels dieser beiden W rmequellen wird ber einen Plattenw rmetauscher 70 C kaltes Wasser aus dem Trocknerkreislauf auf 90 C erhitzt und zur Trockenbandanlage bzw zum Fermenter gef hrt Durch den Einsatz der ORC Technik wird die thermische Abgasenergie die bisher zur Erw rmung von Wasser verwendet wurde zur Stromerzeugung genutzt Die bei diesem Prozess anfallende Abw rme wird dem Gesamtkreislauf der Biogasanlage wieder zugef hrt Die Biogasanlage wird um einen ORC Prozess erweitert d h die Gesamtanlage kann wie bisher im urspr nglichen Modus betrieben oder auf ORC Betrieb umgeschaltet werden F r den ORC Betrieb werden die Abgasstr me der beiden Gasmotoren umgeleitet Nach dem Abgasschalld mpfer des BHKW Gasmotors wird der Abgasstrom vom urspr nglichen Emissionspunkt getrennt und auf den ORC Abgasw rmetausche
182. nfalls zur Aufnahme der Dichtungen zwischen den Schiebern und den Geh usekammern Das Geh use wird mit Schrauben auf der Zylinderbank montiert Da die Schraubenbohrungen teilweise in der Hochdruckkammer des Geh uses liegen muss an oo Sagal 6 0 diesen Stellen ein Durchgang zum Antrieb der Schrauben sowie eine Abdichtung zwischen Schraubenkopf und Geh use vorgesehen werden Schraubenbohrung Abbildung 42 Schraubenbohrungen am Drehschiebergeh use DeVeTec Die Abdichtung der Schraubenk pfe in der Hochdruckkammer des Drehschiebergeh uses wird mittels Kupferdichtungen vorgenommen Die Bohrungen zum Antrieb der Schrauben werden mithilfe eines O Rings und eines Blindstopfens verschlossen Antriebsbohrung Blindstopfen e Abbildung 43 Abdichtung und Verschluss der Antriebsbohrung der Zylinderkopfschrauben DeVeTec 6 3 3 Totraumverstellung Um das zu bef llende Volumen im Zylinder variieren zu k nnen wurde eine Totraumverstellung in die Drehschiebersteuerung eingebunden Hierzu wird im Geh use der Steuerung ein Kolben in einer zylindrischen Bohrung verbaut welcher mithilfe einer Schraubenspindel in seiner Position ver ndert werden kann Die DeVeiec Abdichtung dieses Kolbens erfolgt mittels drei O Ringen Da der Kolben am unteren Ende so geformt ist um auch den Kanal zwischen Totvolumenbereich und Zylinder komplett verschlie en zu k nnen und damit das zus tzliche Totvolumen auf null reduzieren zu k n
183. ng Synchronisierung dient muss noch in der Regelcharakteristik verbessert werden Zusammen mit dem Hersteller RTK werden sowohl Hardware als auch Software berarbeitet um ein schnelleres Synchronisieren und damit einen schnelleren Anlagenstart zu erm glichen Die durchschnittliche Synchronisierungszeit von 20 Minuten konnte bisher auf ca f nf Minuten reduziert werden Zudem ist dieses Ventil ma geblich f r die Schnellstoppf higkeit des Motors verantwortlich Es muss im Bedarfsfall in k rzester Zeit die Dampfzufuhr zum Motor unterbinden Bisher konnte die Schnellschlusszeit von acht Sekunden auf drei Sekunden gesenkt werden Angestrebter Wert im zweiten Halbjahr ist eine Schnellschlusszeit unter einer Sekunde Dazu laufen parallel Untersuchungen an einem Pr fstand und der Einsatz eines zweiten Ventils 9 3 6 Schadensfr herkennung pr vention Motor berwachung Der Zulieferer konnte die Probleme bisher nicht zufriedenstellend l sen Zwar liefert das System Signale diese sind jedoch noch nicht auf einem verwertbaren und damit anwendbaren Niveau Als Schaden soll eine Ventilsteuerung h herem Niveau erkannt werden da die Energie des Anhebens und des Aufsetzens des Ventils deutlich h her liegt Weil die Maschine nur im Stillstand pr pariert werden kann kann kein signifikanter schaden w hrend des Betriebes produziert werden Da die Erfolgsaussichten des Systems seitens DeVeTec nur noch als sehr gering eingestuft werden wu
184. ng s Diagramme Ethanol und ORCent111 DeVeTec 217 Vs Diagramm Ethanol DeVeTec u 235 Druckverlauf im Zylinder bei 130 C Eintrittstemperatur DeVeTec 240 Druckverlauf im Zylinder bei 140 C Eintrittstemperatur DeVeTec 240 Druckverlauf im Zylinder bei 150 C Eintrittstemperatur DeVeTec 241 n Diagramm Ethanol und ORCent111 DeVeTec us0000002sseneeneneneeennne 242 Vergleich Ethanol ORCent111 im P p Diagramm DeVerTec 0 243 DeVeiec 12 Abbildung 175 P Diagramm ORCent111 bei tieferen Temperaturen DeVeTec 244 Abbildung 176 n Diagramm ORCent111 bei tieferen Temperaturen DeVeTec 245 Abbildung 177 Vergleich Dichtungen Original gt ORCent111 beinflusst Originaldichtungen unten bzw innen liegend DEVET eC au een 247 Abbildung 178 PTFE ummantelte VMOQ Dichtungen Originaldichtung unten liegend DeVeTec 247 DeVeiec Tabellenverzeichnis Tabelle 1 Parameter Speisepumpe DeVeTec s 200000000000enesnnnnennnnnennnnnnnnnnennnnnennnnnennnnennnnn 174 Tabelle 2 Parameter Verdampfer DeVeTec 0s00000000000 nenn ennnnennnnnennnnnnnnnnennnnnennnnnennnnnnnnnn 175 Tabelle 3 Auslegungsdaten des Kondensators DeVeTec us0020000200000ssnennnnn nenne nnnnne nen
185. ng Die F llstandsmessung in dem Ausgleichs und Wechselbeh lter erfolgt ber Magnetschwimmschalter Diese sind ber ein Gleitrohr gef hrt Die Gleitkugeln schwimmen an der Oberfl che des fl ssigen Mediums Kommen Sie an einen Kontakt wird eine Signalkette geschlossen oder unterbrochen Es liegt keine kontinuierliche Messung vor Es kann nur an vorher definierten Schaltpunkten gemessen bzw ein Signal bertragen werden DeVe ec Die Pr fstandssteuerung wird mit der Software LabVIEW 2009 von National Instruments 13 4 5 Software programmiert Der Vorteil dabei ist dass mit vergleichsweise geringem Aufwand mithilfe von vorgefertigten Bausteinen ein Programm zur Messdatenaufzeichnung und Steuerung erstellt werden kann Zuvor muss jeder einzelne Kanal laut Kanal und Messstellenliste einem Modul auf dem C DAQ zugewiesen werden Dies erfolgt durch Definition sog Tasks f r analoge digitale Input und Output Signale Diese werden sp ter in LabVIEW eingebettet Zur grafischen Darstellung sind verschiedene Kontrollbildschirme vorgesehen die auf einem im Schaltschrank integrierten Touchpanel PC angezeigt werden Bei Start des Programms erscheint ein Hauptbildschirm auf dem die wichtigsten Statusanzeigen dargestellt werden u a Kontrollleuchten f r den Betriebszustand der einzelnen Aggregate Hier werden auch die Regelparameter eingeben ber eine Reiterleiste k nnen die verschiedenen Kontrollbildschirme angew hlt werden
186. ng Aufbau und Inbetriebnahme des ORC Medienpr fstandes uss222200020sseeeeeeneo 172 DeVeiec 13 1 Ale SmE RENNEN N NEE ELNEENVEERINENEEREEIEEENURERR INNE NEE NEEERRUERNENER 172 13 2 bersicht Medienpr fstand uueeaaeeesneesnneesnnnensnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnennnnnnnnnnennnnnnnnnnennnnnnnnnnn 172 13 2 1 ADA Gerun G ee er een 172 13 2 2 SREE Eg E i 1 ee ee 173 13 2 3 KOMPONENTEN respei nnn ee ee ge 174 13 3 EE E EEEE E E ee ee 188 13 4 STEUELUNE imna Re Celne ea 188 13 4 1 Temperaturmessung case een 191 13 4 2 DFUCKME SU e E T PEELS EE PA PEIEE AN EETA 191 13 4 3 D rchiluss mess UNE sereins ee ee ee 191 13 4 4 F llstandemess Und nee ee 192 13 4 5 SON a ee ee ee oh 193 13 5 AU A Se ee re een 196 13 5 1 Grunatrager und EiNNauUsune ae een 196 13 5 2 Technische LUMUNE 4 een 197 13 5 3 Gesamtsystem Pr fstand sense nee 199 13 6 SicherheitsbetrachtUNE ee een een 202 13 6 1 SCHUTZKOMZEDI ee ee 202 13 6 2 Standsicherheitsnachweis essuuucsssssseessnnnnnnnnennnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnennnnnn 203 13 6 3 OO euere ee 205 13 7 Inbetriebnahme des Pr fstandes 2zsssss22200000nnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnn 206 14 Medienentwicklung mit dem ORC Pr fstand uss2222200220000snnnnnnennnnnnennnnnnennnnnnnennnnnnennennnn 209 14 1 Aee NE ee ee ae 209 14 2 VErS CHE ve SUO ee eine 209 14 3 Vers chsdurchfUNTUNE su ee 210 14 3 1 Randbedingungen und Parametereins
187. ng 161 Abbildung 162 Abbildung 163 Abbildung 164 Abbildung 165 Abbildung 166 Abbildung 167 Abbildung 168 Abbildung 169 Abbildung 170 Abbildung 171 Abbildung 172 Abbildung 173 Abbildung 174 DeVeiec Prinzip eines magnetisch induktiven DurchflussmessersS uusssssesnsssesnenneneneeennne 179 Unterdrucksystem im R amp I Schaubild DeVeTec 00000000000 see eneeneeneeeeennnee 180 Wechselsystem als R amp I Schaubild DeVeTec 000020000000seeneeneennenennnneeennn 181 Temperatureinfluss auf den Festigkeitskennwert von Edelstahl 1 4571 184 Regelbarer Kugelhahn mit besonderer Kugelgeometrie DeVeTec 187 Querschnitt eines Sicherheitsventils DeVeTec u 000000200R ee neeeenneennnnen 188 Chassis mit Einsteckmodulen der Fa National Instruments 2222s00sennee nn 191 Prinzip eines Corlolis Messrohres near 192 Steuerung ORC Medienpr fstand uss222200022s0neennnnnnennnnnnennnnnnnnnnnnnnnsnnnnnennennnnn 193 Startbildschirm mit Regelparameter DeVeTec 00s20000002sneennenennnneennnn 194 Bildschirm der Messstellen im ORC DeVerTec 2000020022 Rennen ennnenenneneen 195 bersicht der Messwerte mit definierbaren Abschaltkriterien DeVeTec 195 Manuelle Befehlseingabe und Aktivierungstasten der Aggregate DeVeTec 195 Gru
188. ng durch Aufladung entgegen gewirkt werden Die R ckw nde der Einhausung und der Haube bestehen aus MDF Platten der Dicke 20 mm Diese eignen sich besonders gut zum Aufh ngen leichterer Bauteile und der Befestigung von Rohrleitungen In der folgenden Abbildung ist die komplette Einhausung zusehen Abbildung 153 Einhausung des Pr fstandes DeVeTec 13 5 2 Technische L ftung Zur Be und Entl ftung der Pr fkabine ist eine technische L ftung vorgesehen Diese muss so ausgelegt sein damit im Falle eines Dampfleitungsabrisses keine explosionsgef hrdete Atmosph re entstehen kann Dies bedeutet dass das Medien Luft Gemisch weniger als die untere Explosionsgrenze des austretenden Mediums betragen darf 1 9 DeVe lt Betrachtet wird dies nun am Beispiel mit Ethanol Es weist eine Untere Explosionsgrenze UEG bei 3 5 Vol mit der Mischung mit Luft auf Es muss davon ausgegangen werden dass die Pumpe maximal ein Volumen von 1 5 I min f rdern kann Der Verdampfer erhitzt das Medium auf bis zu 450 C wobei die Energiezufuhr h chstens 11 kW betragen kann Das Medium wird innerhalb k rzester Zeit auf Umgebungsdruck 1 bar entspannt Somit ergibt sich folgende iterativ gel ste Simulation Tabelle 9 Iterationstabelle zur Bestimmung des austretenden Volumenstroms DeVeTec Volumenstrom Massenstrom Temperatur W rmezufuhr Dichte des Volumenstrom der Pumpe am des austretenden des fl ssiges Verdampfer
189. nicht mehr ausreicht um den Motor oder den Dampfprozess zu betreiben so schaltet sich die Anlage zum Teil selektiv oder ganz aus und wartet auf einen Neustart Dadurch ist ohne Einsatz von Personal gew hrleistet dass so viel wie m glich die W rmequelle genutzt wird Dies kommt den wirtschaftlichen Interessen potenzieller Nutzer sehr entgegen Alle Anlagen sind per Fernvisualisierung einseh und auch manuell steuerbar Dadurch k nnen wichtige Handlungsschritte wie Wartung und St rungsbehebung von einem zentralen Punkt aus geplant und organisiert werden BERN t BEER N H n t DeN elec 8 Planung Aufbau und Inbetriebnahme der Feldtestanlage am Standort Kirchwalsede 8 1 Beschreibung der Anlage Auf dem Gel nde der bereits existierenden Biogasanlage Kirchwalsede ist ein ORC Dampfkreisprozess der Fa DeVeTec als weitere Pilotanlage im Rahmen eines Feldtestprogramms errichtet worden Die Biogasanlage ist prim r zur Erzeugung von Strom f r den Einsatz von Biogas vorgesehen Die Abw rme die bei der Verbrennung des Biogases entsteht wird f r die Temperierung des Fermenters der Geb udeheizung und der Trocknung des G rrestes ben tigt Der Gro teil des W rmepotenzials der dort installierten Verbrennungsmotorenanlage wird f r die Trocknung der G rreste genutzt die bei der Verg rung von Biomasse zur ckbleiben Die Nutzung des W rmepotenzials soll dahin gehend verbessert werden um neben der Trocknung der G rreste ei
190. nlage Des Weiteren m ssen der Container und auch der Verdampfer so mobil gestaltet werden dass sie alle 2 Jahre zwecks Wartungsarbeiten an der Industrieanlage komplett weggenommen werden k nnen Der Zeitaufwand sollte dabei 2 Tage nicht berschreiten Dadurch resultieren auch straffe organisatorische Ma nahmen Die W rmequelle f r den ORC ist K hlungsluft aus einer S urespaltanlage zur Herstellung von Schwefels ure welche eine max Temperatur von 340 C aufweist Bedingt durch den geringen Luftmassenstrom ist die elektrische Leistung der ORC Anlage unter 100 kW Trotz der unterschiedlichen Nennleistung Fenne 200 kW Kirchwalsede 130 kW und Worms 100 kW kann der gleiche ORC Motor benutzt werden Somit wird die Gleichheit aller Bauteile f r die unterschiedlichen Leistungsgr en bewahrt Am Standort Worms kann die W rme aus dem ORC Kondensator nicht mehr in einem Heizkreis benutzt werden deshalb kommt erstmalig ein Ethanol Luftkondensator der Fa Hering zum Einsatz Dieser ist selbst im Sommerbetrieb bei 35 C mit einer Leistung von 125 ausgelegt worden falls ein m glicher Austausch des ORC Mediums siehe Medienentwicklung gemacht wird und eine h here Kondensatorleistung ben tigt wird 9 2 Aufbau und Kaltinbetriebnahme Die Anlage wurde bis Ende 2012 aufgestellt und die Kaltinbetriebnahme des ORC Moduls ist erfolgt Herausfordernd waren die dezentrale Aufstellung des Verdampfers gg dem Maschinencontainer die besonderen Herau
191. nn H J Einf hrung in die Thermodynamik Hanser Verlag M nchen 1996 Hering E Martin R Stohrer M Physik f r Ingenieure Springer Verlag Berlin Heidelberg 1999 Muhs D Wittel H Jannasch D Vo iek J Roloff Matek Maschinenelemente Vieweg Verlag Wiesbaden 2007 6 Illgner K H Esser J Schrauben Vademecum Rasch Verlag Neuwied 2001 7 Roth K Konstruieren mit Konstruktionskatalogen Teil 1 und 2 Springer Verlag Berlin Heidelberg 1994 u xS SS SW xS Sg D U9 N xS S xS xS K nne B K hler R gnitz Maschinenelemente Teubner Verlag Wiesbaden 2003 9 Braess H H Seiffert U Handbuch Kraftfahrzeugtechnik Vieweg Verlag Braunschweig Wiesbaden 2000 10 B ge A Das Techniker Handbuch Vieweg Verlag Braunschweig Wiesbaden 1999 11 Mollenhauer K Tsch ke H Handbuch Dieselmotoren Springer Verlag 12 Klein B FEM Grundlagen und Anwendungen Vieweg Verlag Heyder P Lenzkes D Rudnik S Elektrische Ausr stung von Maschinen und maschinelle Anlagen VDE Verlag Berlin Offenbach 2009 EB xS M tterlein B Handbuch f r die Programmierung mit LabView Spektrum Verlag M nchen 2007 15 Jamal R Hagestedt A LabVIEW Das Grundlagenbuch Addison Wesley Verlag M nchen 2004 6 Wossog G Handbuch Rohrleitungsbau Band I Vulkan Verlag Essen 2008 17 Wossog G Handbuch Rohrleitungsbau Band Il Vulkan Verlag Essen 2003 Umweltbundesamt Stand 15 04 2013 http www
192. nnnnennnnnnnennnnnnennennnen 63 Abbildung 47 Erste Variante der Lagerdichtung DeVeTec 220s02020000200000RRnnnnnennnnnnesne nen 64 Abbildung 48 Lagerabdichtung am Beispiel Mittellager Einlasswelle DeVeTec 64 Abbildung 49 Zweite Variante der Lagerdichtungen DeVeTec u0s2220000020000 2 nennen 65 Abbildung 50 Lagerdichtung am Beispiel Mittellager Einlasswelle DeVeTec u0 000 65 Abbildung 51 Lagerabdichtung der Nadellager der Auslasswelle DeVeTec 000 000 66 Abbildung 52 L slichkeitsversuche mit Fett uus2220s0sssessnenensnesnnnnnennnnnnnnnnnnnnnnnnnsnensnnnnnnnnnnnnennennnnn 66 Abbildung 53 Abdichtung der Einlasswelle nach au en DeVeTec us00000s002seneeneeeeeeeennn 68 Abbildung 54 Dei Delsmiatie Ars rer aniet 71 Abbildung 55 Leistungsklassen der S7 300 CPU S eueeeessssesnsssesnnnnennnnennnnnennnnennnnnennnnnennnnnennnnnnnnnnennnnn 74 Abbildung 56 CPU 3115F 2PN DP anne ee een 75 Abbildung 57 58 Vergleich getrenntes Sicherheitssystem und integriert in F CPU nneennsseenn 75 Abbildung 59 Dezentrale Peripherie ET2008 uus222020s02ssseennensnesnnnnnennnnnnnsnnnnnennnnnnensnnnnnennnnsnennnnnnn 76 Abbildung 60 Multipanel MP 377 nennen een pen 77 Abbildung 61 Siemens IPC 427D u s een 78 Abbildung 62 SCALANCE M874 Z une 78 Abbildung 63 Wood
193. ns Kleinste ber cksichtigt werden Geringe Ursachen k nnen gro e Wirkungen zeigen sowie sich gegenseitig beeinflussen Der praktische Versuch dient folglich der berpr fung Erg nzung und ggf Korrektur der Simulation und ihrer Parameter Darauf aufbauend k nnen belastbare harte Daten f r weitere Aussagen getroffen werden 14 3 Versuchsdurchf hrung Die Versuche mussten in identischen Testreihen f r das bekannte Medium Ethanol und das neue Medium ORCent111 durchgef hrt werden um die Ergebnisse vergleichen zu k nnen Dazu wurde die Anlage zun chst mit Ethanol bef llt Nach Beendigung der Ethanolversuche wurde dieses abgelassen und durch eine eigens daf r vorgesehene Beheizung verbliebene Reste aus dem Verdampfer in den Vorlagebeh lter ausgedampft wo sie entnommen werden konnten Anschlie end wurden eventuell vorhandene kleinste Ethanolspuren mit altem ORCent111 aus Vorversuchen ausgesp lt und dieses ebenfalls wieder durch Ablassen und Ausdampfen entfernt Erst dann wurde die Anlage mit frischem ORCent111 bef llt und die Versuche gestartet An jedem Versuchstag musste die Anlage zun chst angefahren werden um das System vorzuw rmen und auf Ausgangstemperatur sowie druck zu bringen Anschlie end wurde der Expander zugeschaltet Im Versuchsanschluss wurde die Anlage wieder abgefahren und vorm vollst ndigen Ausschalten heruntergek hlt An und Abfahren wurde entsprechend der Bedienungsanleitung durchgef hrt
194. nungsdruck wesentlich gr er als der Umgebungsdruck ist d h es gibt ein gro es Druckgef lle Durch die Aufstellung des Containers in einem Geb ude ergaben sich relativ lange Abblaseleitungen die nach drau en gef hrt werden mussten Aufgrund der Tatsache dass der Bauraum in der H he begrenzt war musste das Sicherheitsventil neben dem abzuf hrenden Massenstrom der Temperatur des Mediums und des Betriebsdrucks vorrangig nach der Bauh he ausgelegt werden Es wurde im Vergleich zu allen anderen Anlagen das bisher gr te Sicherheitsventil mit einem Abblasequerschnitt von DN150 bei einer Abblaseleitungsl nge von 20 Metern eingesetzt Da dieses Sicherheitsventil in Abh ngigkeit zu der im ORC Container installierten Berstscheibe und Expanderauslassrohrleitung steht kann der ffnungsdruck nicht ohne konstruktive nderungsma nahmen erh ht werden Containerplanung Aufgrund der am Aufstellungsort des Containers begrenzten Bauh he konnten der Kondensator und der Ausgleichsbeh lter nicht wie blich auf dem Containerdach installiert werden Es wurde ein Seitenrahmen zur Aufnahme des Kondensators und des Ausgleichsbeh lters angefertigt Da die Rohrleitungsl nge zwischen ORC Kondensator und ORC Rauchgasw rmetauscher ber 50 Meter lang ist wurde das Volumen des Ausgleichsbeh lters von 700 auf 1000 Liter erh ht Abbildung 130 Container mit Seitenrahmen DeVeTec 161 DeVe c Da der Container mittels zwe
195. nverbindung zum Messcomputer der die Schwefelwasserstoffanteile im Biogas kontinuierlich aufzeichnet geschaffen Die Werte liegen zwischen O und ber 3000 ppm Wobei die Werte zwischen O und 100 ppm auch darauf zur ckzuf hren sind dass die Biogasproduktion nicht im Volllastbereich l uft H2S Kirchwalsede w da _ EF Ser tp H25 ppm Genrwer KW ppm Ausfall Aufzeichnung 1000 03 02 2124 102 201 ig E 14 17 02 2014 24 02 2014 0303 2014 1003 2014 1703 7014 24 032014 3103 201 07 04 2014 14 04 2014 Datum Abbildung 101 H2S Konzentration in Kirchwalsede DeVeTec e Die Biogasanlage f llt wegen Sch den am Fermenter an der Trockenbandanlage am Separator und an den BHKW Ss relativ h ufig aus Wegen der Schwefelwasserstoffproblematik kann die ORC Anlage derzeit und in absehbarer Zukunft nicht in Betrieb genommen werden 133 DeN elec 9 Planung Aufbau und Inbetriebnahme der Feldtestanlage am Standort Worms 9 1 Planungen Mit den Planungen f r die zweite Feldversuchsanlage wurden im November 2011 begonnen Im April 2012 wurde dann die Freigabe der Planung von Evonik Industries erteilt Der Beginn der Aufbauarbeiten in Worms war f r September 2012 terminiert Die Besonderheiten des Standortes Worms sind die sehr beengten Platzverh ltnisse f r Container und Verdampfer sowie die r umliche Trennung von Container und Verdampfer von ber 20 Meter quer durch eine stark bebaute Industriea
196. nzkonzentration kontrollieren Im Brandfall schlie en beide L ftungselemente der Schallschutzkulissen automatisch und die L ftung wird ausgeschaltet Somit wird verhindert dass das Feuer mit Frischluft versorgt wird Schallschutz Zus tzlich ist der Container mit Schallschutzelementen an W nden T ren und Decken ausgestattet wodurch die L rmemissionsgrenzwerte in angrenzenden Wohngebieten eingehalten werden k nnen Durch die D mmung wird der Schalldruckpegel um ca 28 dB gesenkt Der Schalldruckpegel Lp im 10m Abstand betr gt 64 dB A F r die Bel ftung des Containers sind in der Seitenwand und in den Fl gelt ren ffnungen vorgesehen Die L rmemissionen werden durch die Verwendung von zus tzlich Schallschutzkulissen im Bereich der ffnungen minimiert Fundamente An der Stelle wo der ORC Container aufgestellt wird verlaufen unterirdische Rohrleitungen Um den ORC Container aufstellen zu k nnen ist an den Stellen wo keine Rohrleitungen verlaufen ein Streifenfundament vorgesehen y gt Abbildung 97 Rohrleitungen im Erdreich vor den beiden BHKWSs Areva Die obere Abbildung zeigt das unterirdische Rohrleitungssystem dass zum Zeitpunkt der ORC Planung mit Erdreich versch ttet war Daher wurde auf Basis des obigen Fotos die Fundamentaufteilung geplant n Teo Insgesamt st tzen drei Streifenfundamente den Container Das Fundamt beginnt auf H he der im Boden liegenden Rohrleitungen Dadurch wird sich
197. olgt ein 90 Rohrbogen mit DN 315 dieser wird mit einem Reduzierst ck auf DN DeVeiec 200 verj ngt Das Abluftrohr steigt mit einer L nge von 2200 mm zur Oberkante der Pr fstandseinhausung 13 5 3 Gesamtsystem Pr fstand F r die Einbindung der Bauteile und Komponenten des Pr fstands m ssen noch zahlreiche Gestelle Tische und Halterungen in die Pr feinhausung integriert werden Dies l sst sich aufgrund der modularen Bauweise der verwendeten Aluminiumprofile sehr leicht realisieren Zur Anbringung der Regelventile wurden ma gestaltete Anschraubpl ttchen und Winkel gefertigt F r die Positionierung der Speisepumpe des Expanders mit Generator der Vakuumpumpe und des Durchflussmessger ts wurde eigens ein Arbeitstisch konzipiert der in seinem Aufbau variabel ausgef hrt ist Die Komponenten k nnen so beliebig platziert werden Die beiden Pumpen und die Elektromotoren wurden zus tzlich mit einer Grundplatte aus Aluminium ausgestattet Der Expander erh lt eine Motorlagerung mit Schwingungsd mpfern Bei der Lagerung ist auf die H he der Antriebswelle zwischen Motor und Generator zu achten Da die Wellenh he des 2 2 kW Generators um 22mm h her als die des 1 1 KkW Generators ist muss die Differenz durch Distanzh lsen ausgeglichen und eine angepasste Gesamth he der Motor Generator Verbindung definiert werden Abbildung 154 Arbeitstisch f r Expander und Aggregate DeVeTec Der Elektroerhitzer Verdampfereinheit besitzt
198. or F_ bo akuumpumpe Expander Abbildung 156 Pr fstand mit allen wesentlichen Komponenten als CAD Modell DeVeTec Der Aufbau des Pr fstands richtete sich nach den vorab berlegten Planungen Die Montage des Rohrleitungssystems sollte von einem externen Rohrleitungsbauer durchgef hrt werden Letztlich wurden die Arbeiten jedoch selbst ausgef hrt da sich kein Dienstleister finden lies der zeitnah den Aufbau beginnen konnte Weiterhin werden die relevanten Dampfleitungen mit Steinwollrohren isoliert Der Schaltschrankbau und die Verkabelung wurden von einem fachkundigen Elektriker erledigt o Salb DeVe iec 13 6 Sicherheitsbetrachtung 13 6 1 Schutzkonzept Inertisierung Die Inertisierung sorgt f r eine Verdr ngung des Sauerstoffs damit die Sauerstoffkonzentration unter einem vorgeschriebenen Schwellwert liegt Dadurch soll eine Explosionsgef hrdung in den Bereichen zwischen Verdampfer und Kondensator vermieden werden Zur Inertisierung wird eine Durchflusssp lung angewandt bei der das Inertgas Stickstoff mit geringem berdruck durch die Anlage flie t und somit die enthaltene Luft verdr ngt Der Vorgang der Inertisierung sieht zehn Volumenwechsel vor Nutzung ATEX konformer Ger te Ein weiteres Schutzkonzept sieht die Verwendung von Ger ten gem der ATEX Richtlinie vor Die durch innere Reibungen ausgehenden Z ndmechanismen von Ger ten werden durch den Einsatz spezieller Materialien vermieden Weiterhin bleibt di
199. pen und einen ORC Bereich unterteilt die ber separate Eingangst ren betreten werden k nnen Der ORC Bereich kann zus tzlich stirnseitig ber zwei nach au en ffnende Fl gelt ren betreten werden Im Bodenbereich der T ren sind Schutzkanten angebracht die verhindern sollen dass austretende Fl ssigkeiten den Container verlassen Im Schaltschrankbereich sind die Schaltschr nke mit der Leistungselektronik und der Regelungstechnik untergebracht ber eine seitliche Kabeldurchf hrung in der Containerseitenwand wird die Elektrik mit der Anschlusselektronik verbunden Die Ethanolpumpe mit Filter ist zusammen mit der Schallschutzkulisse mit integrierten L ftungsschlitzen im Pumpenraum verbaut Im ORC Bereich ist an der Trennwand zwischen Pumpen und ORC Bereich der L fter der f r einen ausreichenden Luftwechsel sorgt befestigt Der ORC Expander der Synchrongenerator und die Peripherieger te befinden sich im ORC Bereich e W re ORC Expander ppm u J Ethanolpumpe i f ni 4 JA BE Abbildung 95 Aufbau Container mit ORC Expander DeVeTec Bereich auf dem Container Um thermische Verluste durch lange Verbindungsleitungen gering zu halten sind die Apparate des Dampfkreisprozesses auf dem Containerdach angeordnet Alle Komponenten sind mit dem Tr gerrahmen verschraubt Der Tr gerrahmen wurde auf den Container gesetzt und mit dem Container verschraubt ber die vier Ecks ulen des Containers werden die Kr ft
200. r e Raumluftregelung e Netzschutz nach deutschen und sterreichischen Vorschriften e Erweiterter Generatorschutz e Eingebaute Trendingfunktion DeVe cc e Vier Impulsz hler e Netzbezugsregelung Der Aufbau kann aus nur drei Modulen bestehen Jedes Modul hat dabei einen eigenen Prozessor und arbeitet somit v llig selbstst ndig Die Module k nnen ohne Probleme in einem Standard Industrie Rack montiert werden Dabei wird immer ein PCM Modul meist ein SCM Modul und variabel viele I O Module verwendet 7 1 1 1 PCM Modul Das Hauptsteuerungsmodul das PCM Modul das zugleich als Netzteil fungiert wird dabei immer an erster Position ganz links montiert Es steuert den Datenaustausch und kommuniziert mit allen anderen Modulen Es tr gt die Steuereinheit mit der Applikationssoftware und beinhaltet folgende Schnittstellen e 1 Ethernet Schnittstelle e 1 USB Schnittstelle e 3 CAN Schnittstellen e 1 RS435 Schnittstelle e 1 serieller Port e 1 ARC Net Schnittstelle e 1 USB Speichererweiterung 7 1 1 2 SCM Modul Das SCM Modul bernimmt die Aufgabe der Synchronisierung Bei dieser m ssen die Amplitude der Spannung die Phasenlage und die Netzfrequenz st ndig berwacht werden Wenn sich diese Gr en innerhalb der zul ssigen Abweichungen befinden ist der Synchronpunkt erreicht und nur dann kann der Generatorleistungsschalter GLS geschlossen werden der den Generator zum Netz schaltet Ab diesem Zeitpunkt speist der Gener
201. r ggf mit Bypass falls ohne gefahren werden soll kann die W rme der berhitzung des Auslassstromes zur ckgewinnen Des Weiteren k nnten Blowby der Kolbenringe sowie Leckstr me am Drehschieber aufgefangen und in das System zur ckgef hrt werden Zudem w re es g nstig wenn Kondensator und der Raum unterhalb der Kolben miteinander verbunden w ren und somit DeVeiec 254 in jedem Fall das gleiche Druckniveau h tten Sollten Versuche mit Kondensatordr cken nicht auf Umgebungsdruckniveau gefahren werden ist dies u erst wichtig 14 5 2 10 L ftereinbau in Schaltschrank Das Innere des Schaltschranks heizt sich im Laufe des Betriebes deutlich auf Dies ist vor allem auf den darin verbauten FU und den Trafo f r die 24 V Gleichstromversorgung zur ckzuf hren Daher sollte der Schaltschrank ggf nachtr glich mit einer Bel ftung versehen werden Es konnte zudem festgestellt werden dass die Erw rmung der SPS im Schaltschrank mitverantwortlich f r kurzzeitige Ausf lle der Drehzahl sowie Zylinderdruckmessung ist DeVeiec 15 Fortschreibung des Verwertungsplans 15 1 Erfindungen Schutzrechtsanmeldungen Im Rahmen des Projektes wurde an der Demonstrationsanlage am Standort Fenne ein alternatives Steuerungskonzept in Form einer Drehschiebersteuerung entwickelt Diese wurde auf ihre Patentierbarkeit hin berpr ft Dazu wurde am Patentinformationszentrum Darmstadt im Sommer 2010 auf Basis einer Funktions und Patentbeschrei
202. r Abgase wurde von der Fa Evonik bearbeitet Dabei kam dem im Rahmen dieses Teilprojektes zu entwickelnden Arbeitsfluid eine Schl sselrolle zu denn das optimale Zusammenspiel zwischen Arbeitsmedium und Prozesskonfiguration entscheidet ma geblich ber den Wirkungsgrad und damit ber die Effizienz des gesamten Prozesses Thermodynamisch begr ndet liegen die Wirkungsgrade in einem niedrigen Bereich lt 20 sodass mittels gezielter Auswahl der Arbeitsfl ssigkeit die Irreversibilit t beim W rme bergang minimiert und durch eine optimale Ausnutzung der thermophysikalischen Stoffeigenschaften der Komponente maximale Prozesswirkungsgrade erreicht werden k nnen Die Arbeitsteilung sah so aus dass Evonik f r die Entwicklung und Auswahl eines geeigneten organischen Mediums verantwortlich war DeVeTec einen Pr fstand mit einem geeigneten ORC Dampfexpansionsmotor konstruiert gefertigt und aufgebaut sowie die entsprechenden praktischen Tests der neuen organischen Medien auf dem Pr fstand durchgef hrt hat Das Projekt zielte auf die Identifizierung und Entwicklung von Arbeitsfluiden zur Nutzung von Abw rmestr men im Temperaturbereich von 90 450 C mithilfe der ORCent Technologie Dazu wurde zun chst ein Anforderungsprofil f r geeignete Alternativen zu dem nach Stand der Technik eingesetzten ORC Arbeitsmedium Ethanol erstellt Dieses beinhaltete thermodynamische Stoffeigenschaften sicherheitstechnische und kologische Kenngr en De
203. r Ringdrosselklappe ist zu viel Rauchgas am W rmetauscher vorbeigestr mt wodurch dieser nie wirklich ausk hlen konnte Daher sind selbst bei ausgeschalteter ORC Anlage gro e Mengen an Ethanol verdampft Als Konsequenz werden alle ORC Anlagen die im Bypass betrieben werden vor und nach dem W rmetauscher mit relativ dicht schlie enden Abgasklappen best ckt Abgassystem des K hlwasseranschluss Grubengasmotors D r Abgassystem Tma 450 C Saugzuggebl se Medienstrom Tina 300 C Medienpumpe K hlwasser Tmax 90 C Abbildung 9 ORC Anlage Fenne DeVeTec DeVeiec Auf Basis der bestehenden Expanderkonstruktion wurden folgende wesentliche Ma nahmen nderungen an der Expansionsmaschine im Laufe der Zeit umgesetzt e nderung des Dichtungskonzepts an der Kolbenstange e nderung des Materials f r die Zylinderbank e nderungen des Einlassventilsitzes bez glich der Verstellung e nderung der Materialpaarung an der Auslassventilsteuerung e Expanderdrehzahlanpassung Anderung des Dichtungskonzepts an der Kolbenstange Bereits vor der Planung f r die Anlage in Kirchwalsede stand fest dass erhebliche konstruktive nderungen an der Kolbenstangendichtpackung durchgef hrt werden m ssen da die Dichtigkeit zwischen dem Ethanol und dem lraum unzureichend war Diese nderungen wurden durch Realisation der Hubfreiheit sichergestellt auf die im Kapitel Weiterentwicklung Dichtungskonzept
204. r kann man auch die Bet tigungsfl che des Kolbens testen die im Expander einmal mit und einmal ohne Stegunterst tzung zum Einsatz kommt Grund daf r ist der Einsatz der Zweiventiltechnik bei der der Bet tigungsradius des Einlassventils gr er wird EEE gt Bu BEREEE DeVe ec 6 3 Drehschiebersteuerung Parallel zu der Gaswechselsteuerung mit kolben und nockenbet tigten Hubventilen wurde eine alternative Gaswechselsteuerung entwickelt 6 3 1 Funktionsprinzip Bei der Drehschiebersteuerung rotieren ber jedem Zylinder ein Einlass und ein Auslassschieber auf jeweils einer Welle in getrennten Kammern in einem Gussgeh use Diese Kammern sind mit dem jeweiligen Druckbereich kurzgeschlossen Die Einlasskammer in welcher die Einlassschieber rotieren wird mit frischem Dampf versorgt Die Auslasskammer leitet den ausgeschobenen Dampf an das Auslassrohrsystem weiter Die Schieber verf gen in Umfangsrichtung ber ffnungen welche den Str mungsquerschnitt zum Zylinder durch das Geh use im richtigen Moment freigeben Zwischen Schiebern und Geh use ist eine Abdichtung realisiert um einen dauerhaften Dampfstrom in beziehungsweise aus dem Zylinder zu vermeiden Die Wellen auf welchen die Schieber montiert sind sind an mehreren Stellen im Geh use gelagert und werden ber einen Riementrieb ohne bersetzung angetrieben Die Drehzahl der Wellen entspricht also der Motordrehzahl Zum Variieren des Totvolumens der Zylinder ist ein ver
205. r umgeleitet Nach dem ORC Abgasw rmetauscher wird der abgek hlte Abgasstrom eines Gasmotors ber einen Kamin ins Freie geblasen W hrend des ORC Betriebes entweicht kein Abgas aus den bereits genehmigten Emissionspunkten 1 und 2 Wie bereits erw hnt ben tigt der ORC Prozess neben den Abgasw rmetauschern die das Ethanol erhitzen verdampfen und berhitzen noch einen ORC Kondensator der den Ethanoldampf wieder abk hlt und verfl ssigt Das n tige K hlwasser f r den Kondensator kommt von der Trockenbandanlage Nachdem das Wasser die Trockenbandanlage passiert hat ist es soweit abgek hlt dass es in den Kondensator geleitet werden kann Die Abw rme aus dem ORC Prozess wird an das K hlwasser abgegeben und somit dem Gesamtprozess wieder zugef hrt ee Te see ee u __ Tube M A Fermernen Kousiaul un unsumunnnnnn nun nn nn nn nn nn nn nn Bam nd r Le H A Krauss N Trockenband amane m Devetec Bea aaee nun nn nn nn nn snannnnnnnn7 22 r222nnmnprnn8 z Wipri enle f flh noikreisa Abbildung 74 Systemgrenzen Biogasanlage Kirchwalsede DeVeTec Anpassung an rtliche Gegebenheiten Der ORC Container wird zwischen den beiden BHKW Containern die durch einen Technikcontainer verbunden sind und dem Separator aufgestellt F r den ORC Betrieb m ssen die Abgasstr me der beiden BHKW Motoren umgeleitet werden Um thermische Verluste durch lange Abgasw
206. r zusammen mit den Lagern zum Einsatz kamen Dabei fiel einer der beiden nach vier Stunden Laufzeit in der Apparatur aus der Betrachtung raus da er unter Last und Einsatztemperatur schnell verharzte Der zweite Schmierstoff zeigte auch nach vier Teststunden keine Auff lligkeiten und wurde so f r den Einsatz in der Drehschiebersteuerung gew hlt Die gefundenen L sungen wurden umgesetzt und in der Drehschiebersteuerung verbaut Die Lagerung der Einlasswelle findet weiterhin ber Kugellager statt An der Auslasswelle werden die h her belastbaren Nadellager verbaut Alle Lagerstellen werden mit den eigens daf r entwickelten Dichtungen gekapselt um ein Auswaschen des Schmierstoffes aus den Lagerstellen zu vermeiden Auch nach etwa 50 Betriebsstunden konnte kein Problem an den Lagerstellen festgestellt werden Eine Steigerung der Laufzeit wird zeigen ob diese Steuerung f r den Dauerbetrieb geeignet ist DeVeiec 6 3 4 2 Abdichtung der Welle nach au en und Antrieb Die Wellen der Drehschiebersteuerung werden ber einen Riementrieb direkt und ohne bersetzung von der Kurbelwelle angetrieben Die Wellen drehen sich also mit Motordrehzahl Die Abdichtung der Wellen an der Drehdurchf hrung zur Antriebsseite hin stellte gerade im Einlassbereich wo Hochdruck herrscht eine gro e Herausforderung dar Um die Abdichtung dieser sensiblen Stelle m glichst einfach zu gestalten wurde eine L sung mit dem Einsatz einer Magnetkupplung realisiert Be
207. rbildung nach OT Ruhe vor und nach Event Gr n Bosch Sensor A1 Normaler Hub Gelb Bosch Sensor A1 erh hter Hub RMS Amplitude 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 30 85 0 95 Zeit Auswertung am Bosch Sensor 100 unterschiedliche Umdrehungen gt RMS Wert von l ngerem Hub h her als normaler Hub RMS Amplitude Zeit Auswertung an der Bank rot normaler Hub lila erh hter Hub Unterschied im RMS Wert nicht so deutlich aber erkennbar gt l ngere Untersuchungen erforderlich Amplitude 0 l l l l I I I I I l l l l l I I I I l 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 50 65 70 75 30 85 90 95 100 Zeit Verzug des Ventilaufsatzpunktes gg normalem Hub Deutlicher Versatz erkennbar gt Ansatz f r berwachung Als Vergleich berwachung von A2 Ares Atie g ze _ t a i 2 ODER 2 000 aan 1001 amis han 090173 s00 oaz 1 203 100779 gan 0 00r naarn Tr rag nam 2 02 004 nom 100 o Gr n Bosch Sensor A1 1 Messtag Gelb Bosch Sensor A1 2 Messtag 2 Zeitgleich RMS Amplitude I 0 J 10 13 20 23 30 33 4 45 10 33 60 63 r 73 a0 gJ 90 33 100 RMS Werte ohne nennenswerte Unterschiede rpbtie bs D I j i j b n 1 000279 155 200073 opgi a ar nars u LEN am273 omne ana ao assis 02833 anrs nom name am Ups Rs berwachung mit Sensor Bank A Zeitgleich RMS 1 45 Amplitude LA l 20 15 10
208. rch den Beauftragten des technischen berwachungsvereins einfacher und transparenter oo Sal DeN elec 6 2 1 Eigenes Stickstofferzeugungsmodul zur kontinuierlichen Inertisierung der Anlage bei gleichzeitiger Verwendung als Steuerdruck f r die pneumatischen Dampfventile Im Anlagenstillstand ist aus sicherheitstechnischen Gr nden das Innere der Ethanolrohrleitung mit Stickstoff inertisiert Beim Anfahren der Anlage erw rmt sich der Stickstoff und dehnt sich aus was einen Druckanstieg im geschlossenen System zur Folge hat ber einen berstr mer der bei 100 mbar g aufmacht entweicht der erw rmte Stickstoff in die Umgebung Beim Abfahren des Dampfprozesses k hlt sich das Ethanol ab und verringert somit das Volumen was zur Folge h tte dass Unterdruck im System entstehen w rde wenn nicht ber Stickstoff eine Versorgungseinheit das fehlende Volumen nachf rdern w rde In Abh ngigkeit der H ufigkeit der Anfahr und Abfahrprozesse reicht eine station re Stickstoffversorgung in Form einer Druckflasche nicht aus Daher wurde eine Stickstofferzeugeranlage installiert die zum einen Stickstoff in zwei 100 Liter Druckbeh ltern bis max 7 bar g zwischenlagert damit zum Zeitpunkt des An und Abfahrens gen gend Stickstoff vorhanden ist Da man im Betrieb der ORC Anlage keinen Stickstoff mehr f r die Inertisierung ben tigt k nnen die pneumatischen Dampfventile mit dem verbleibenden Stickstoff betrieben werden Somit kann auf eine zus
209. rch die zweiteilige Ausf hrung sind zum einen die Windangriffsfl chen reduziert und zum anderen kann man den W rmetauscher auch auf das Dach des ORC Containermoduls stellen DeN elec 6 1 1 2 Verdampferkonzept f r erdgasbefeuerte W rmequellen bis 430 C mit automatischer Bel ftung im Stillstand zur Vermeidung von Korrosion Grundanforderung und Ziele Bei dem Verdampferkonzept f r erdgasbefeuerte W rmequellen stand der Kostenaspekt im Vordergrund Welche Ma nahmen m ssen ergriffen werden damit ein W rmetauscher aus einfachem Kohlenstoffstahl gefertigt werden kann ohne dass dadurch die Anlagensicherheit gef hrdet wird Aufgrund der Bauh he hat der W rmetauscher St tzgeometrien als integraler Bestandteil an denen Rohrleitungen und Sicherheitsventile befestigt werden k nnen Durch diese Bauweise kann auf aufwendige Stahlkonstruktionen die auf der Baustelle errichtet werden m ssen verzichtet werden Eine weitere Anforderung ist dass auch bei Stillstand der ORC Anlage das Innere des W rmetauschers infolge von Kondensatbildung nicht anfangen soll zu korrodieren n here Informationen dazu in der technischen Beschreibung Der aktuelle W rmetauscher ist f r eine thermische Tauschleistung von 1 300 kW ausgelegt bei einer maximalen zul ssigen Rauchgastemperatur von 430 C Schwefelwasserstoffproblematik Bei erdgasbefeuerten fen ist in der Regel der Anteil der Schwefelwasserstoffkonzentrationen so gering
210. rde parallel mit einer Entwicklung einer eigenen Motor berwachung begonnen 9 4 Probebetrieb 9 4 1 Allgemein Das W rmeangebot hat sich deutlich verschlechtert d h es steht kaum noch ausreichend W rme f r einen Betrieb zur Verf gung Aus diesem Grund konnten kaum Erfahrungen gesammelt werden Seit Anfang Dezember 2013 ist die Anlage zwar f r den Betrieb ohne Beaufsichtigung seitens DeVeTec freigegeben jedoch musste die Anlage f r einige Monate wegen des Werkstillsttandes der Schwefels ureanlage ausgesetzt werden F r die Revisionsarbeiten musste der Verdampfer demontiert und zwischengelagert werden Die Wiederinbetriebnahme erfolgte erst Ende Mai 2014 9 4 2 Expander Der Expander l uft ohne Auff lligkeiten Eine erste Inspektion nach 200 Stunden zeigte dass kein Verschlei erkennbar ist Nur die Einlassventile wurden prophylaktisch auf die pulvermetallurgischen St hle getauscht Die n chste planm ige Inspektion ist bei 500 Stunden geplant DeVeiec Trotz noch kleinerer M ngel an der Steuerung kann die Anlage ohne Personal betrieben 9 4 3 Steuerung SPS werden Das Sicherheitskonzept wurde so verbessert sodass das Risiko eines Motorschadens aufgrund von Abschaltungen oder m glichen Fehlern deutlich gesenkt werden konnte Um dies zu vervollst ndigen steht noch eine Hardware nderung der Sicherheitskomponenten aus 9 4 4 Anlagentechnik Es wurde ein neuer labscheider mit separatem ldrucklauf montiert
211. rden 79 MCB Control LOAD CAN bus Modbus Etharnet Relay amp pulse outouts Analog Digtal Inputs op Abbildung 64 Schema des Woodward Reglers Zur berwachung der Netz und Generatorschutzfunktionen bedarf es einer Netzspannungsmessung und einer Generatorspannungsmessung Ebenso wird die Sammelschienenspannung gemessen Die easYgen bernimmt w hrend des Betriebes folgende Aufgaben Messungen e Generatorspannung e Generatorstrom e Netzspannung e Netz oder Erdstrom e Sammelschienenspannung berwachungen Generator e Spannung Frequenz DeVe ec e berlast R ck Minderlast e Schieflast e berstrom e Zeitabh ngiger berstrom e Erdschluss e Leistungsfaktor e Drehfeld Motor e berdrehzahl Unterdrehzahl e Drehzahl Frequenz Plausibilit t e St tzerregungsausfall Netz e Spannung Frequenz e Phasensprung Drehfeld Steuerung e Schalterlogik e Betriebsarten Automatik Hand und Stopp sowie Testbetriebsarten e Aggregate Einzel und Mehrfachbetrieb e Netzparallelbetrieb mit mehreren Aggregaten e Notstrombetrieb und Bereitschaftsbetrieb e Sprinklerbetrieb e GLS und NLS Synchronisierung e bergabe 81 DeVe ec e Lastabh ngiges Zu und Absetzen e Fernsteuerung von n f U P Q und LF ber Al oder Schnittstelle e Last Blindlastverteilung f r bis zu 32 Aggregate e Frei konfigurierbare PID Regler Zur berwachung und zu Alarmzw
212. rden in einem 30 Fu Container untergebracht der in drei Funktionsr ume unterteilt ist Schaltschrank Pumpen und Expanderraum Abbildung 28 Containeraufteilung in drei R ume DeVeTec Jeder Raum kann ber separate Eingangst ren betreten werden w hrend der Expanderraum stirnseitig zus tzlich ber zwei nach au en ffnende Fl gelt ren betreten werden kann Im Bodenbereich der T ren sind zus tzlich Schutzkanten angebracht die DeVeiec verhindern sollen dass austretende Fl ssigkeiten den Container verlassen Somit kann der Container auch in Wasserschutzgebieten aufgestellt werden Die bereits angesprochenen Fl gelt ren erm glichen einen schnellen Austausch des Expanders um im Falle eines gr eren Schadens die Zeit f r den Austausch im Hinblick auf die Verf gbarkeit der Gesamtanlage zu minimieren F r die Unterbringung des Expanders wurden allerdings nderungen in den Containerabma en notwendig wodurch Breite und H he nicht mehr einem 30 Fu Normcontainer entsprechen Die Abma e wurden so gew hlt dass kein Sondertransport notwendig ist allerdings wird eine Transportgenehmigung ben tigt Im Schaltschrankbereich sind die Schaltschr nke mit der Leistungselektronik samt Regelungstechnik und die Stickstofferzeugeranlage untergebracht Das Pumpenmodul umfasst im Wesentlichen eine Hochdruckpumpe und eine Niederdruckpumpe mit Vorfilter und Messtechnik Abbildung 29 Pumpenmodul DeVeTec A 9
213. ressive Medien Die Ventile m ssen deshalb in regelm igen Abst nden berpr ft werden Im Pr fstand sind Ventile unterschiedlicher Aufgabenbereiche verbaut Absperrventile Regelventile Sicherheitsventile Diese sollen im Folgenden n her beschrieben werden Manuell bet tigtes Absperrventil Hierbei handelt es sich um einen Kugelhahn mit einem Positionshebel welcher von Hand geschlossen oder ge ffnet werden kann Sie dienen zur Trennung eines Kreislaufs oder eines ER T s BEREN DeVe c Aggregats wenn die Anlage bereits heruntergefahren wurde bzw sich nicht mehr im Betrieb befindet Im Anlagenschema ist je ein Kugelhahn f r den Bypass der Speisepumpe V 201 sowie der Vakuumpumpe V 208 vorgesehen Elektrisch gesteuertes Absperrventil Vom Aufbau her identisch mit den manuell bet tigten Kugelh hnen unterscheiden sich diese durch einen Steuerkopf mit elektrisch angetriebenem Stellmotor Die Funktion ist dabei die gleiche wie vorher beschrieben Jedoch m ssen diese auch w hrend des Testbetriebs gesteuert werden k nnen Das Absperrventil V 205 soll angesteuert werden wenn der Bypass um den Dampfexpander ge ffnet ist Das Ventil soll so ein R ckstr men in den Auslass der Ventilsteuerung des Expanders verhindern Pneumatisch gesteuerte Regelventile Zur Druckregelung vor dem Expander und dem Expander Bypass werden zwei Regelventile ben tigt V 203 V 204 Das Besondere daran ist dass diese auch i
214. rf der Biogasanlage Kirchwalsede DeVeTec Gem den BHKW Leistungsdaten wurde folgender Ist Zustand in Bezug auf Temperaturen und Leistungen als Basis f r die Auslegung der ORC Anlage herangezogen Gerruschw rme AT KY 716KWawm 716KWaom G AP aBreW AP 3BOKW Gas Motor c AP T20 PWT Abbildung 80 Energiebilanzierung von zwei BHKWs DeVeTec 116 DeVeiec Zur Vereinfachung hat man sich auf die Temperaturen und Volumenstr me eines BHKWs konzentriert Vereinfachte Darstellung Abbildung 81 Vereinfachte Darstellung der Bilanzierung DeVeTec Zum Betrieb der ORC Anlage muss das Abgas auf die ORC W rmetauscher umgeleitet werden Als Folge steht dem BHKW im ORC Betrieb keine Abgasenergie in diesem Fall 389 kW zur Verf gung Diese Abgasenergie fehlt auch im internen BHKW K hlkreislauf d h es kommen keine 729kW mehr am Plattenw rmetauscher PWT an Somit w rden auch 389 kW an der Trockenbandanlage fehlen Allerdings werden im ORC Betrieb nur 15 der Abgasenergie zur Stromerzeugung genutzt die restlichen 85 die bei der Kondensation von Ethanol anfallen verbleiben im System und k nnen an anderer Stelle wieder dem System zugef hrt werden Diese Restw rme steht jedoch auf einem Temperaturniveau von maximal 70 C zur Verf gung In der n chsten Abbildung ist die Einbindung des Kondensators in die Biogasanlage schematisch gezeigt A E y A I_ 1 1 i 2 ee
215. rleitungsf hrung im 45 Winkel ist der Einsatz eines drosselfreien Absperrschiebers nicht m glich Zudem sind die Kosten f r einen solchen Schieber um den Faktor 3 gr er als f r eine einfache Rauchgasklappe Daher hat man sich f r den Einsatz eines Saugzuggebl ses entschieden Abbildung 126 Skizzierte Einbindung des ORC W rmetauschers DeVeTec Auslegung des Rauchgasw rmetauschers Gem dem Kapitel Vorgehensweise zur Auslegung von W rmetauschern bei diskontinuierlichen W rmestr men und dem Kapitel Verdampferkonzept f r erdgasbefeuerte W rmequellen bis 430 C mit automatischer Bel ftung im Stillstand zur Vermeidung von Korrosion wurde der Rauchgasw rmetauscher f r die Badischen Stahlwerke ausgelegt Nachdem vom Energieversorger der Badischen Stahlwerke die Spezifikationen zum Erdgas bereitgestellt worden sind konnte man eine Belastung durch Schwefelwasserstoff oder andere Stoffe ausschlie en Da die Verbrennungsluft des Kupolofens ausschlie lich zum Erw rmen der Brammen verwendet wird kann man davon ausgehen dass keine weiteren Verunreinigungen ins Abgas gelangen Auf Basis des Emissionsgutachtens kann eine Staubbelastung ausgeschlossen werden Zusammen mit der 10 t gigen Messreihe ber die Temperaturen und Volumenstr me des Abgases konnten die Anforderungen f r den W rmetauscher definiert werden Im Hinblick auf kurze Lieferzeiten und geringe Herstellungskosten hat man sich dazu entschlossen den W rme
216. rn h ngen vom Zustandspunkt ab und werden mit kleinerer Temperatur und oder h herem Druck gr er Ebenso weicht das Realverhalten der DeVe ec Fl ssigphase gerade bei Mischungen deutlich vom ideal ab Dies wird z B besonders gut beim Gemisch Wasser Ethanol deutlich Siedediagramm Exzessgr en Daher m ssen bei den Simulationen von Kreisprozessen sowie Stoffwerte und thermodynamische Zust nde Korrektur bzw Realparameter ber cksichtigt werden Programme zur Prozesssimulation wie CHEMCAD Aspen oder Pro ll greifen dazu auf sehr umfangreiche Datenbanken und Realgleichungen zur ck Diese Datens tze sind im Laufe der Zeit nicht nur mittels theoretischer berlegungen und Modelle entstanden sondern vor allem auch aus Faktendaten welche durch Versuche und Messungen ermittelt wurden Aus diesem Grund k nnen sich f r neue Stoffe bzw Gemische abweichende Realparameter ergeben sodass eine Simulation nicht exakt der Realit t entspricht Des Weiteren verhalten sich Fluide in der bestehenden selben Anlage ggf unterschiedlich bez glich Fluidreibung Druckverluste und W rme bertragung W rmeverluste Diese Differenzen lassen sich leichter im realen Vorgang feststellen als in der Simulation Ebenso ist auch das Verhalten des neuen Mediums auf die Anlagenmaterialien und umgekehrt von Interesse was sich am deutlichsten im realen Einsatz zeigt F r alle Punkte gilt zudem dass in Simulationen oft nie alle Bedingungen bis i
217. rogrammlaufkontrolle den ordnungsgem en Betrieb der Steuerung Dadurch bieten diese Steuerungen h chste Sicherheit f r Mensch Maschine und Umwelt Ebenso werden Sch den und Unf lle infolge eines Fehlers vermieden Bisher Sharie und Sarheilheitinautunalkon geimenm in we Ye nn m rn e PROF IRLS Neu Santart und Surerthtsiatnmaten Imuyphart n aiwm Syam O PROIN TIPRO Fisa m U PROFIBLSPROF saie Abbildung 57 58 Vergleich getrenntes Sicherheitssystem und integriert in F CPU DeVeiec Wie in den vorstehenden Abbildungen zu erkennen ist wurden bisher die 76 Standardautomation und die Sicherheitsautomation getrennt voneinander aufgebaut Dadurch wurde mehr Platz ben tigt und der Verdrahtungsaufwand war gr er Durch den Einsatz von einem fehlersicheren Controller mit fehlersicheren I O Modulen kann auf zus tzliche Sicherheitsschaltger te verzichtet werden Die Logik der Sicherheitsfunktion wird mittels Software realisiert nicht wie bisher mittels Verdrahtung Dadurch k nnen komplexe Sicherheitsfunktionen einfacher realisiert werden und die Funktionen sind leicht ver nderbar erweiterbar und dokumentierbar Beides ist nun integriert in einem System sodass sicherheitsrelevante Sensoren und Aktoren direkt an die fehlersicheren I O Module der Steuerung angeschlossen werden k nnen Die vorhandene PROFIBUS oder PROFINET Kommunikation kann ebenfalls f r die sicherheitsgerichtete Kommunikation bis SIL 3 Kat
218. rstoffspuren weswegen inertisiert wird und Medium wobei davon auszugehen ist dass in der Anlage der S ttigungsdampfdruck von ORCent111 vorliegt So ergibt sich der Gesamtdruck aus den Partialdr cken von Medium Sattdampfdruck und Stickstoff Folglich ist die Zusammensetzung der Gasphase bekannt Zur Vereinfachung und aufgrund des relativ schnellen Vorgangs kann davon ausgegangen werden dass w hrend des Ablassens vernachl ssigbar wenig Medium aufgrund des sich senkenden Partialdrucks von der Fl ssig in die Gasphase bergeht Somit berechnet sich die Verlustmasse an Medium pro Inertisierungszyklus folgenderma en m gt Vo P Po 14 4 40 m Verlustmasse in kg po Inertisierungsdruck i d R 1 8 bar a in bar a pu Ablassdruck i d R Umgebungsdruck in bar a Vo freies Gasvolumen der Anlage in m ca 0 06 m DeVeiec p partielle Dichte Medium im Gasgemisch in kg m basierend auf Sattdampfdruck dichte Da ORCent111 bei gleicher Temperatur einen deutlich h heren Dampfdruck als Ethanol besitzt sind die Verluste hier pro Inertisierungsvorgang entsprechend gr er Dynamische Dichtungen Die gr ten Medienverluste treten an den dynamischen Abdichtungen des Expanders auf Zum einen sind dies die beiden oszillierenden Kolbendichtungen zum anderen die beiden Dichtpakete an den Loslagern wo die rotierenden Drehschieberwellen von Ein und Auslasssteuerung nach au en treten Beide Leckagestr me wurden zur Beobach
219. rteilt waren Dadurch kam es zur Reibung unter den W lzk rpern selbst und damit zu erh htem Verschlei Des Weiteren wurde der keramische Werkstoff vom Ethanoldampf selbst angegriffen 0 Abbildung 46 Diverse Keramikkugellager DeVeTec Die Lagerung der Wellen im Geh use wurde nun grundlegend berarbeitet und verschiedene Lager getestet Um dem hohen Demontageaufwand und den damit verbundenen Stillstandszeiten aus dem Weg zu gehen wurde in der Versuchsumgebung im Kraftwerk Fenne nochmals die Hubventilsteuerung aufgebaut und f r die Tests der Lager eine Apparatur konstruiert und gefertigt mit welcher die Lagerung unter realen Bedingungen auf einem kleinen ORC Teststand gepr ft werden konnte 63 Als Lager kamen auf diesem Pr fstand Standardkugellager und Standardnadellager zum Einsatz Diese wurden in der nicht abgedichteten Variante vom Hersteller bezogen Die Abdichtung der Lagerstellen wurde mit eigens daf r entwickelten und gefertigten Dichtungen durchgef hrt Abbildung 47 Erste Variante der Lagerdichtung DeVeTec Druckausgleichsbohrung O Ring Nuten Passt O Abbildung 48 Lagerabdichtung am Beispiel Mittellager Einlasswelle DeVeTec Die ersten Dichtungen wurden aus einem PTFE Compound Werkstoff gefertigt Sie wurden im Geh use mithilfe eines Passstiftes gegen Verdrehen gesichert Die Geh useteile am Dichtk rper wurden mittels O Ringen abgedichtet Es wurde eine Dru
220. rung der idealen Steuerzeit statt Die Werte unter 130 C wurden mit einer anderen Steuerzeit gefahren als die dar ber Der Sprung findet hier zwischen 120 und 130 C statt Jedoch ist anzunehmen dass es sich um keinen pl tzlichen Sprung sondern um ein mehr oder weniger allm hliches Verschieben der idealen Steuerzeit handelt Wie in Kap 14 4 1 5 bereits beschrieben hat wahrscheinlich jede Temperatur seine individuelle ideale Steuerzeit Diese zu ermitteln sprengt den Rahmen dieser Arbeit Eine genauere Steuerzeitoptimierung k nnte den Bruch bei 120 C minimieren oder gar aufheben 245 DeNelec 14 4 5 Stresstest Der Stresstest von ORCent111 wurde zun chst mit gut 50 Stunden bei 150 C und anschlie end mit ebenfalls gut 50 Stunden bei 150 C nach Verdampfer Achtung Nicht wie bei den Wirkungsgradversuchen am Expandereintritt gefahren 1 Gasbildung W hrend des Stresstests konnte keine Gasbildung festgestellt werden Bei den Versuchen die anschlie end mit h heren Temperaturen am Verdampferaustritt gefahren wurden zeigte sich ein leichter Druckaufbau im Vorlagebeh lter ber einen Versuchstag hinweg 2 Ver nderung des Wirkungsgrades Es wurden die Wirkungsgrade am Anfang und am Ende der Stresstestversuche bei jeder Temperatur aufgenommen Eine Ver nderung des Wirkungsgrades konnte schon bei den Versuchen mit gt 150 C festgestellt werden Die erzielten Wirkungsgrade Versuche wurden validiert nach dem gt 150 C Stresst
221. s einzelnen Stellgliedes und Antriebes vor Dabei wird die Funktionsf higkeit der Ventile durch manuelles Anfahren ber die Pr fstandsoftware LabVIEW untersucht Die elektrischen Antriebe der Speisepumpe der Vakuumpumpe des Generators und des Ventilators m ssen auf die richtige Laufrichtung hin berpr ft werden Weiterhin sollen alle Messeinrichtungen einen plausiblen Messwert anzeigen Dazu muss f r jeden Messkanal mit der speziellen Software NI Measurement amp Automation Explorer die Skaleneinteilung definiert werden damit die Signale zwischen 4 20 mA einem eindeutigen Messwert zugeordnet werden k nnen Die Zuordnung erfolgt dabei linear Die Messwerte m ssen im Betrieb berpr ft werden Als N chstes wird die Anlage auf Dichtheit berpr ft Dazu m ssen zun chst alle Rohranschl sse und Verschraubungen z B Schneidringverbindungen an der eine Leckage entstehen kann hinreichend festgezogen werden Danach wird ber den Anschluss zur Inertisierung Druckluft von etwa 5 bar in das Rohrsystem geleitet Die Bypassventile der Vakuumpumpe und Speisepumpe m ssen ge ffnet sein damit auch jeder Teil der Anlage DeVe ec mit Druck beaufschlagt wird Mithilfe von Lecksuchspray k nnen Leckagen aufgesp rt werden Ist die Anlage als technisch dicht anzusehen kann mit der Inbetriebnahme des Dampfkreislaufs fortgefahren werden Zun chst erfolgt die Bef llung der Anlage mit etwa 35 Litern destilliertem Wasser Mithilfe der V
222. saan t se Tre S aaa a al Uy a pat y i ER Abbildung 89 Auszug aus den Messprotokollen der Biogasanlage Kirchwalsede Evonik 123 DeN elec ORC Anlage im Winterbetrieb Neben der Analyse der Trockenbandanlage im Sommer muss auch der Winterbetrieb der gesamten Biogasanlage bei der Betrachtung des ORC Betriebs ber cksichtigt werden W hrend im Sommer die Bodenheizung des Fermenters ausgeschaltet ist muss im Winter diese mit maximal 150 kW betrieben werden Diese Heizleistung steht somit der Trockenbandanlage nicht mehr zur Verf gung d h von dem im Sommer zur Verf gung stehenden 1458 kW stehen im Winter nur noch 1310 kW zur Verf gung Zur Analyse des Istzustandes wurden die Volumenstr me die Temperaturen und die Energiebilanzierung f r diesen Fall ausgef hrt Abbildung 90 Energiebilanzierung der BGA im Volllastbetrieb ohne ORC im Winter DeVeTec Im ORC Betrieb reduziert sich die Heizleistung f r die Trockenbandanlage von 1310 kW auf 1180 kW Durch die Reduktion der zur Verf gung stehenden Heizleistung an der Trockenbandanlage ndern sich auch die Vor und R cklauftemperaturen der Trockenbandanlage Je geringer die Heizleistung an der Trockenbandanlage sein darf desto geringer f llt auch der Temperaturdifferenz zwischen Vor und R cklauf aus Je nach H he der R cklauftemperatur kann das kritisch f r den ORC Kondensator sein denn eine hohe R cklauftemperatur an der Trockenbandanlage bedeutet
223. sche Wirkungsgrade von Interesse Diese ergibt sich nach N Pr N 14 4 2 17 F r die Ermittlung der einzelnen Wirkungsgrade ist der innere Pumpenwirkungsgrad jedoch nicht bekannt und kann nur abgesch tzt werden Unter der Annahme dass dieser f r beide Medien mit guter N herung konstant ist spielt er f r das Wirkungsgradverh ltnis der Medien zueinander allerdings keine Rolle Egal was f r n in die folgende Gleichung eingesetzt wird das Wirkungsgradverh ltnis bleibt gleich Pa o u0 To Quo P ab al Faaji ideal M 5 QzuE NE IP le er o P mO u Ridesi m Fo OzuE 14 4 2 18 Optimierungen Voraussetzungen Annahmen i Das Realgasverhalten wird vernachl ssigt Im Realfall ist z B die Enthalpiedifferenz bei h herem Druck und gleicher Temperaturdifferenz geringer ii Gleichbleibender innerer polytroper Expanderwirkungsgrad DeVeiec iii Rekuperatoren arbeiten als ideale W rme bertr ger berhitzung wird vollst ndig zur ckgewonnen Gr digkeit gegen null berhitzungsr ckgewinn bis voll auf die Taulinie iv Kein weiterer W rmeverlust im Rekuperator System v Unterk hlung im Kondensator geht gegen null 1 Unterk hlung im Kondensator Es ist zu erkennen dass sowohl Ethanol als auch ORCent111 im Kondensator immer deutlich unterk hlt Diese in der Realanwendung unn tige Unterk hlung beeinflusst den Wirkungsgrad negativ Die Unterk hlleistung betr gt Qur m cpp
224. schon erw hnt mittels Zahnriemen Die Riemenscheiben werden mit Taperbuchsen und Passfedern auf der Welle fixiert 6 3 5 Dichtungen Zum Abdichten zwischen den Druckkammern im Geh use und den Zylindern werden von der Zylinderseite her Dichtungen gegen die Schieber gepresst Diese Dichtungen werden an der Kontaktfl che zum Schieber sph risch gefertigt und mittels einer Wellfeder angepresst Der Dichtungssitz wird in das Geh use eingeschraubt und mittels O Ringen abgedichtet Die Anforderungen an den Werkstoff f r diese Dichtringe sind extrem hoch Zum einen muss eine zuverl ssige Dichtheit zwischen Zylinder und den beiden Druckkammern garantiert werden Zum anderen darf der Verschlei der Dichtungen nur sehr gering sein um den Wartungsaufwand beim Dauerbetrieb einer solchen Steuerung minimal zu halten Die an der Dichtstelle auftretenden Kr fte Temperaturen und Gleitgeschwindigkeiten sind extrem hoch Die mittlere Gleitgeschwindigkeit am Einlassschieber bei einer Motordrehzahl von 1500 1 min wie sie in der Versuchsumgebung im Kraftwerk Fenne vorliegt errechnet sich aus dem Durchmesser auf welchem die Kan le in der Schiebermantelfl che positioniert sind und der Motordrehzahl Dieser Durchmesser betr gt 148 9mm woraus bei der gegebenen Drehzahl eine Gleitgeschwindigkeit von 11 7 m s resultiert Die Betriebskennwerte f r Kunststoffe k nnen im einzelnen die Anforderungen an die Gegebenheiten an der Dichtstelle erf llen Entschei
225. sede 35 weniger thermische Leistung zur Verf gung Demzufolge wird auch eine geringere Expanderleistung ben tigt die man durch Anpassung der Drehzahl ohne konstruktive nderungen am DeVe ec 26 Expander durchf hren zu m ssen realisierte Aufgrund der Netzfrequenz von 50 Hz ist die Generatordrehzahl in Abh ngigkeit der Polzahl vorgegeben Aufgrund der Verf gbarkeit und der Beschaffungskosten hat man sich f r 4 polige Generatoren entschieden die bei einer Drehzahl von 1500 min Strom ins Netz einspeisen Zwecks Drehzahlanpassung wird bei allen zuk nftigen Anlagen mit verminderter Leistung ein Getriebe zwischen Expander und Generator installiert Gegen ber der Anlage in Fenne wurde die Drehzahl mittels Getriebe bersetzung 1 4 von 1500 min auf 1061 min reduziert um dem verminderten Leistungsangebot gerecht zu werden DeVeiec 5 Zusammenarbeit mit anderen Stellen ber das Projekt wurden in der Zeit von 2009 bis 2014 mit folgenden anderen Stellen zusammengearbeitet bzw wurde das Projekt entsprechend vorgestellt e Workshop EnEff Statusseminar Perspektiven der KWK Technologie vom 22 11 bis 23 11 2010 in Stuttgart e Das Projekt ORCent II wurde in Nr 13 2011 Abw rme zu Strom veredeln des BINE Informationsdienst vorgestellt e Vortrag DORC Dampfexpansionsmotor f r die Nutzung niedertemperierter W rmestr me e Pr sentation eines Projektposters beim EnEff Stadt Kongres vom 17 01 bis 18 0
226. sforderungen an einem Chemiepark sowie die erh hte Korrosion der Beh lter und Rohrleitungen w hrend der Aufstell und Montagezeit Eine besondere und eine zeitintensive Herausforderung war es die formellen Auflagen des Standortes in Worms zu erf llen Es waren ca 80 Personen im Auftrag von Evonik und ca acht Personen seitens der Fa DeVeTec an dem Aufbau beteiligt Der vormontierte ORC Container wurde wie geplant am Aufstellungsort aufgestellt In st ndiger Abstimmung mit dem Auftraggeber wurden s mtliche Gewerke wie das Aufstellen der W rmetauscher die Errichtung der noch fehlenden Rohrleitungen Verkabelungsarbeiten Isolierungsarbeiten etc aufeinander abgestimmt und koordiniert DeVeiec Aufgrund zeitlicher Verschiebungen im Projektverlauf musste die Verrohrung der Stickstoff und Kondensatleitungen im Nachgang vor Ort erledigt werden W hrend der Inbetriebnahme mussten zwei Hei luftklappen die sich bereits zuvor im Abgasstrang befanden getauscht werden da diese durch die erh hte Schwefels urekonzentration in der Umgebung w hrend l ngerer Stillstandszeiten Jahre festkorrodiert waren Durch diesen Umstand verz gerte sich die Inbetriebnahme um mehrere Wochen Zugang Kontainer III geite 2 diggi irti n aliti z 1 c Kontakikessel D 2801 u N IF RE A 2800 1 1 I P i i ee a l Amin KEBSSKZT i Mm DENN 1 AR LTL ara TA Ti S eh i DE
227. siert Es war bei der Demonstrationsanlage in Fenne immer wieder festzustellen dass erhebliche Mengen Ethanol bei geschlossenem Ventil austreten Selbst im Stillstand verdampft und kondensiert ein Teil des Ethanols und str mt somit an den geschlossenen Ventilen vorbei Selbst nach zweit gigem Stillstand wurden mehrmals 5I fl ssiges Ethanol nach dem Zudampfventil abgelassen Mit der Zeit w rde der Expander geflutet werden was in jedem Fall zu vermeiden ist 23 DeVe ec 2 A Ein weiterer Grund f r die Anforderungen nach dichten Regelventilen ist die Tatsache dass im Expandervolllastbetrieb das Bypassventil geschlossen und das Zudampfventil ge ffnet ist Nur bei einem absolut dichten Bypassventil kann der gesamte Massenstrom auf den Expander geleitet werden Je mehr Massenstrom am geschlossenen Bypassventil vorbeistr men kann desto geringer ist die elektrische Ausbeute am Expansionsmotor Daher wurden bei allen nachfolgenden Anlagen Regelventile mit eingeschliffenem Sitz eingebaut Um Verschlei erscheinungen zu minimieren und die Dichtigkeit auf Dauer zu garantieren sind die Sitze zus tzlich geh rtet Anderung der Anzahl der Rauchgasklappen Der Rauchgasw rmetauscher der Demonstrationsanlage ist ber einen Bypass ins urspr ngliche Abgassystem eingebunden Zum Abschiebern der Abgase im Stillstand war zwischen Verdampfer und Saugzugsystem eine Ringdrosselklappe als Absperrklappe vorgesehen Wegen des gro en Ringspalts an de
228. skorrektur des Verdampfers und der Drehzahlkorrektur b nderung um Betrag und Richtung wie auch der Druck am Expanderaustritt korrigiert wurde Peinkorr ges Peinrk E e N Pi zu Pur N V R korr 14 4 2 11 6 Austrittstemperatur Expander Durch die normierten Dr cke am Expander stellt sich ein neues Temperaturgef lle ein n n 2 P 14 4 2 12 Es folgt T x e m Dassen n T ein Pa H aus korr _ ein korr T T Ps ein korr T D n 1 ma aus korr aus R n 1 aus R T i 2 2 i zu ein p M p 2 ein R eink 14 4 2 13 Der Polytropenexponent ergibt sich aus Isentropenexponent und innerem Wirkungsgrad des Expanders 229 DeVe iec N U ws 7 Gasleistung Sind die korrigierten Dr cke und Temperaturen gefunden kann die Gasleistung des Expanders entsprechend berichtigt werden Das Korrekturmodell sei wie folgt gedacht F r die Gasleistung gilt R T T w n 14 4 2 14 es folgt R Wikorr n Taus korr Tein T T aus korr Tax u a o Wion WR er ug ER y ER Ti T aus R Tain TaugR T in 14 4 2 15 8 Pumpenleistung Der Pr fstand erfasst die Leistung der Speisepumpe nicht Da f r den Wirkungsgrad eines Kreisprozesses jedoch korrekterweise gilt _ Pal An zu 14 4 2 16 muss diese ber cksichtigt werden Dabei ist wie beim Expander die innere Leistung also nur die Ber cksichtigung des inneren Wirkungsgrades der Pumpe ohne mechanische und elektri
229. snnnnennnneennnn 23 Abbildung 9 ORC Anlage Fenne DeVeTec us02220000200000RRennnennnnnnnennnnnnennnnnnennnnnnnnnnnnnnennennnn 24 Abbildung 10 Dr Philip R sler mit DeVeTec Gesch ftsf hrer Michael Schmidt DeVeTec 27 Abbildung 11 Ermittlung der Taupunkttemperatur DeVeTec 02000000000000ne nenne nnnnne nennen 31 Abbildung 12 W rme bergang Wikipedia 2220002000000000000RRnnnnne nennen nnnnnnennnnnnnnnnnnnnenne nen 32 Abbildung 13 Rauchgasw rmetauscher DeVeTec 0 000000020002eenennnnnsnnnnesnnnnennnnnennnnnennnnnnnnnn 33 Abbildung 14 Zweiteiliger W rmetauscher mit Ethanolvorw rmung DeVeTec 33 Abbildung 15 Stellungnahme zur Gasqualit t Badenova s220uss22seeneeseennnnesnnnnennnnnennnnennnnn 35 Abbildung 16 Gutachten des T V S D 2013 DeVeTec uu 2200042snnneesnneesennnensnnnnnnnnnennnnenennnn 36 Abbildung 17 Rauchgasw rmetauscher von Aprovis DeVeTec 2200000000002ene nenne nnnnne nennen 37 Abbildung 18 Diagramm auf Basis des Messschriebs DeVeTec 0000200000000 nenne nenne nnnneennnn 40 Abbildung 19 Diagramm vom 13 06 13 14 06 2013 DeVeTec us 2200000020 nenne ennnnennnneennnn 41 Abbildung 20 Diagramm vom 13 06 13 14 06 2013 DeVeTec us000000002e nenne ennenennnneennnn 41 Abbild
230. stattet um die Zylinderdruckinduzierung zu messen Um die mechanische Leistung in elektrische Leistung umzuwandeln wird ein Generator mit einem Wirkleistungsmessumformer verwendet Um jedoch das Leistungsspektrum zwischen O und 2 kW bestens zu nutzen werden zwei Generatoren unterschiedlicher Leistungsklassen verwendet ein 1 1 kW und ein 2 2 kW Generator So werden die Wirkungsgradverluste beim Niederleistungsbetrieb unterer Teillastbereich eines gr eren Generators verringert Die Generatoren m ssen somit bei Bedarf f r einen anderen Lastpunkt getauscht werden Weiterhin kann der Generator als Elektroantrieb f r den Startzyklus des Kolbenexpanders genutzt werden 13 2 3 4 Kondensator Der Kondensator ist ein W rmetauscher der das durchflie ende gasf rmige Medium durch W rmeabfuhr mittels eines K hlwasserstroms in die fl ssige Phase umwandelt Der Kondensator muss im Falle dass das unter Druck stehende gasf rmige Medium ber einen Bypass am Expander vorbei geleitet wird dem Druck von etwa 20 bar und einer Temperatur von kurzeitig von bis zu 300 C standhalten Somit kann auch eine berdruckkondensation stattfinden falls eingesetzte Fluide einen h heren Dampfdruck als 1013 mbar haben Der Kondensator wird im Gegenstromverfahren betrieben Der eingesetzte Kondensator ist ein gel teter Plattenw rmetauscher Die Auslegung sollte sich am K hlmittel R245fa orientieren Somit ergeben sich folgende Auslegungsdaten DeVeiec
231. stellbares Volumen welches mit dem Zylinder kurzgeschlossen ist am Geh use vorgesehen 6 3 2 Geh use der Drehschiebersteuerung Bei dieser Steuerung werden die Einzelzylinderk pfe des V8 Motors durch ein Gussgeh use ersetzt Dieses Geh use verf gt ber zwei voneinander getrennte Kammern eine Hochdruckkammer durch welche der Ethanoldampf bei ge ffnetem Einlassquerschnitt in die Zylinder geleitet wird und eine Niederdruckkammer welche bei offenem Str mungsquerschnitt der Auslassschieber den Zylinder mit dem Auslassrohrsystem verbindet Hochdruckkammer Niederdruckkammer Totraumverstellung Abbildung 39 Geh use Drehschiebersteuerung DeVeTec BEE Du Vo Das Geh use verf gt nur ber einen Anschluss an das Einlassrohrsystem Dadurch reduziert sich die Anzahl der Dichtstellen an der Schnittstelle Rohrsystem Motor im Vergleich zu der Gaswechselsteuerung durch Einzelzylinderkopfe von 8 auf 2 Schnittstelle zum Einlassrohr Abbildung 40 Drehschiebergeh use mit Schnittstelle zum Einlassrohr DeVeTec Diese Vorgehensweise zur Reduzierung der Dichtstellen setzt sich auch beim Anschluss der Auslassseite an das Auslassrohrsystem fort Schnittstelle zum Auslassrohr Abbildung 41 Schnittstelle Auslassrohr DeVeTec An der Geh useunterseite befinden sich Bohrungen durch welche die Zylinder bei offenem Querschnitt der entsprechenden Schieber mit den jeweiligen Kammern verbunden werden Diese Bohrungen dienen ebe
232. stung des ORC Verdampfers mit Staub aus dem Rauchgas dar F r diese Problematik werden gerade unterschiedliche automatisierte Reinigungssysteme angefragt Am 13 06 2014 war der Expander insgesamt 1046 Stunden in Betrieb F nunamn pe zaunwzanm Pam WURagR J um num EUF E EEN rGRTEEEArAII Masten nngmr eng Erir untung yo hitsakegatas UAfins iuarirast Bfae my wemmunz isker i EI 13 an n ETAN ETETA nu mmn 20 0313 06 t Bun sm zor n Uy BERRBRRERREEE um zorm ECOCERT 201 24079 e Er Beana aaa aa aaa FL _ UNEDGESEDGEDGEISGESEDMERSEDGDMERGEDGEDGDSGEDSGEDEED CO am mu ANNFMUD IND TTET E EEC E TETI H 10 Nor 1 nn nn num ma um man Abbildung 117 Zeitlicher Projektablauf Standort Boffzen DeVeTec Du 1 7 u S 10 3 Messergebnisse Auszug Anlage Boffzen PNenn 140kW 750 1 min 180 500 160 BE ADD ii EW i TA raat 7 di 4 120 A 1m u k S p vor Bepander Rauchgas werd Ein Rauchgas werd Aus 100 50 ji 08 05 2014 10 05 2014 1219 2014 14 05 2024 16 05 2014 18 05 2014 20 05 4114 Abbildung 118 elektrische Leistung Anlage Boffzen DeVeTec Die obige Abbildung zeigt den Leistungsverlauf des ersten V12 Motors in Boffzen Die Auslegeleistung f r die reduzierte Variante 750 1 min liegt bei 140 kW Die erreichte Leistung liegt stellenweise
233. sung ohne Entstehung gravierender Mehrkosten m glich ist Variation der Bandgeschwindigkeit Erh hung der Pumpen und L fterleistung etc Zur Vereinfachung wurde die Trockenbandanlage schematisch dargestellt Jahr 2010 Kulwassattnnpearnatiu r 029 Betriebsstunden zwischen 20 und 25 C 155 Sawmiebssumien Zwischen 79 und 30T Trockne neistung s g Betnebbsstunden zuiachen an und 35 gt Trockenbandanlage Au entemperatur Temperatur o Trockner Abbildung 84 Schematische Abbildung einer Trockenbandanlage DeVeTec Wie bereits angesprochen wird sich im ORC Betrieb das Temperaturniveau im K hl bzw Heizkreis um ca 8 10 Kelvin senken Durch das geringe Temperaturniveau ist die Temperaturdifferenz zwischen der Luft in der Trockenbandanlage und der des W rmetauschers geringer Um jedoch die gleiche Tauschleistung erzielen zu k nnen m ssten die Ventilatoren einen h heren Volumenstrom durch die Trockenbandanlage schicken Da sich die Dichte von Luft in Abh ngigkeit der Temperatur ndert m ssen zur Feststellung der Leistungsgrenzen auch die Wetterdaten am Aufstellungsort herangezogen werden x r LA W H DeVe ec Abbildung 86 Analyse der Wetterdaten von April Mai und Oktober DeVeTec 120 DeVe ec Zur Absch tzung ob die Trockenbandanlage auch f r den ORC Betrieb geeignet ist muss im Vorfeld die Ist Situation analysiert werden Auf der unteren Abbildung wurden alle Daten z
234. sventil O LX204 Stellung Regelventil var Expander G j 3 X301 Stellung Regelventil K hlwasser O amp SPFZOL Durchflussregelung Medium O 5 PT203 Temperatur Soll nach Verdampfer E 6 1203 Temperatur Ist nach Verdampter y Bo nur Ee ya Abbildung 151 Manuelle Befehlseingabe und Aktivierungstasten der Aggregate DeVeTec Rt Du EEE DeVeiec 196 13 5 Aufbau 13 5 1 Grundtr ger und Einhausung Als Grundtr ger und Testkabinenumhausung f r die Anbauteile und relevanten Prozesskomponenten dient ein Rahmen aus Aluminium Pressstrangprofilen der Firma Bosch Sie zeichnen sich durch ihre Modularit t und Flexibilit t aus und sind bei Bedarf beliebig erweiterbar Die Profile werden in unterschiedlichen Querschnitten angeboten und mit speziellen Befestigungsmitteln miteinander gef gt Die Planung ist durch vorgefertigte CAD Bausteine Profilquerschnitte u erst unkompliziert Der Grundtr ger ist sehr massiv mit Profilen der Kantenl nge 90 mm x 90 mm gestaltet da auf ihm eine Last von bis zu 1200 kg bestehen kann Die u eren Abmessungen betragen 2000 mm in der L nge und 2050 mm in der Breite Querstreben wirken versteifend und verteilen die Lasten gleichm ig in die Au enprofile Dar ber hinaus verf gt der Grundtr ger ber vier feststellbare Schwerlastrollen Das entscheidende Kriterium f r deren Auswahl war die Gew hrleistung der Mobilit t des Pr fstandes damit er unter anderem leichter fahrb
235. t Da die Verdampferleistung sowie der Expanderaustrittsdruck gegeben sind m sste das Expansionsgef lle durch eine Druckerh hung am Expandereintritt mittels konstruktiver Ma nahmen am Expander vergr ert werden Werden z B die Einlasszeiten verk rzt sinkt das F llvolumen w hrend der Einlassphase Da der Massenstrom aber konstant bleiben muss werden die Dichte und folglich der Druck steigen Eine Drehzahlverringerung des Expanders w re auch denkbar k nnte jedoch eine nderung des inneren Wirkungsgrades sowie des F llungsverhaltens nach sich ziehen sodass ggf die Vergleichbarkeit nicht mehr gegeben ist Ein solcher Weg sei es ber die Einlassdauer oder die Drehzahl k nnte jedoch in Zukunft weiter verfolgt werden Ebenso ist es denkbar die Verdampferleistung z B durch einen zus tzlichen Verdampfer zu steigern Dies w rde den Massenstrom und in der Folge den Druck bei konstantem Expanderf llvolumen und drehzahl steigern Die M glichkeit der Prozessoptimierung mittels Erh hung des Expandereintrittsdrucks soll f r einen gew hlten Idealprozess am Medium Ethanol im T s Diagramm betrachtet werden DeVe ec wor C 1406 kJ kg ideales Gas 7 29 3 bar s 1368 kJ kg 18 Pu 12 V i 1164 kJ kg f PA 1114 kJ kg P X P s Ku kg K Abbildung 169 s Diagramm Ethanol DeVeTec Zun chst sei Ethanol als ideales Medium gedacht Dies bedeutet dass Isenthalpen
236. t werden Der polytrope Expanderwirkungsgrad ergab sich aus x 1 Paj x RE Bem a a 1 u a 1 Aus ee i Mo D _ Pein In 22 Paus 14 4 2 35 DeVe iec Tabelle 13 Isentropen und Polytropenexponent sowie innere Expanderwirkungsgrade f r Ethanol und ORCent111 DeVeTec Somit ergaben sich folgende Daten 130 C 140 C 150 C Ethanol ORCent111 Ethanol ORCent111 Ethanol ORCent111 n 1 08 1 07 1 08 1 07 1 08 1 08 K 1 10 1 13 1 11 1 14 1 12 1 14 ns 61 11 57 01 60 15 55 89 62 44 57 38 np 59 43 53 57 58 17 52 20 60 25 53 72 Der innere Wirkungsgrad und somit der Polytropenexponent und die polytrope Entspannung entstehen bei einem Hubkolbenexpander durch Liefergrad Druckverluste nicht ideale F ll und Aussto vorg nge sowie W rmeaustausch zwischen Ein und Austrittskammer strom im Expanderkopf Der Expansionsvorgang selber l uft abgesehen von kleinen W rmeverlusten ber die Zylinderwand nahezu isentrop ab Es ist zu erkennen dass der innere Wirkungsgrad des Expanders beim Einsatz von ORCent111 niedriger ist als bei Ethanol Dies muss aber nicht unbedingt auf das Verhalten des Mediums w hrend der Expansion im Expander an sich zur ckzuf hren sein sondern kann im Zusammenhang mit dem Liefergrad stehen wie im folgenden Abschnitt zu deutlich wird Achtung Es wurden die W rmeverluste des Expanders nach au en idealisiert als O angenommen In der Realit t beeinflussen die vor alle
237. t werden damit das Medium noch im gasf rmigen Zustand vorlag Dabei konnte dann jedoch keine korrekte Aussage zum Wirkungsgrad mehr gemacht werden da der Beitrag des Dampfstroms durch den Bypass der Expanderleistung fehlt Jedoch lassen sich Aussagen zur grunds tzlichen Einsatzm glichkeit sowie Absch tzungen treffen Auch dieser Versuch wurde bei zuvor ermittelter idealer Steuerzeit durchgef hrt auch hier Beachtung des Steuerzeitensprungs Dabei wurde durch Vorgabe der Verdampferaustrittstemperatur T203 die Expandereintrittstemperatur schrittweise abgesenkt Es galt wieder ein station rer Betriebszeitraum von ca 0 5 1 Stunden pro Temperatureinstellung 14 3 6 Stresstest Im Stresstest sollte die Tauglichkeit von ORCent111 ber 150 C hinaus getestet werden F r Ethanol war dieser Versuch nicht von Bedeutung da die Temperaturobergrenze deutlich h her liegt und bekannt ist Dabei war nicht der Wirkungsgrad von prim rem Interesse sondern die chemische thermische Stabilit t des Mediums Dazu wurden jeweils ber einen Zeitraum von ca 50 DeVeiec Betriebsstunden Temperaturen von gt 150 C am Verdampferaustritt Es erfolgte eine t gliche Probennahme Zus tzlich wurde der Wirkungsgrad vor und nach jeder Versuchsreihe Temperatur ermittelt sowie die Sattdampfkurve am Versuchsende um so schon eventuelle nderungen zu erkennen Ebenso wurde auf Gasbildung Druckaufbau im Vorlagebeh lter geachtet welche durch die Zerse
238. t wieder der station re Zustand abgewartet und die Versuchszeit neu gestartet werden Spannungskonstanthalter in der Gr enordnung sind sehr teuer und bieten dann nur eine aufgrund des quadratischen Einflusses der Spannung auf die Verdampferleistung ungen gende Genauigkeit was die hohe Investition ggf nicht rechtfertigt Eine sehr genaue allerdings noch kostenintensivere L sung w re der Einsatz eines regelbaren Gleichrichters und der Verdampferbetrieb mit Gleichstrom Damit lie e sich die Verdampferleistung auch ber einen gewissen Stellbereich exakt regeln 14 5 2 2 Leistungsabh ngige Expanderdrehzahl Aufgrund des Asynchrongenerators ist die Drehzahl von der Last Leistung abh ngig Auch dieser Einfluss wird in der Korrekturrechnung nur idealisiert n herungsweise erfasst zumal der innere Expanderwirkungsgrad sowie der Liefergrad und damit der Gesamtwirkungsgrad davon abh ngig sind Eine L sung w re folglich nur ber eine stets konstante Drehzahl gegeben Dies lie e sich mit einer entsprechenden Bremse speziell f r solche Pr fst nde realisieren Diese besteht meistens aus einem Gleichstromgenerator kombiniert mit Drehzahl und ggf Drehmomentenmessung Eine solche L sung bietet zudem die M glichkeit der Drehzahlvariation ist allerdings auch u erst kostenspielig 14 5 2 3 Reifegrad Drehschiebersteuerung Die Drehschiebersteuerung auf dem Pr fstand funktioniert prozesstechnisch sehr gut was sich vor allem an den Druck
239. tand von jeweils 15 Sekunden Temperaturen 350 300 250 201 T203 T205 T206 207 208 SPT203 200 150 100 i Temperatur C Datenpunkte 1Dp alle 15 s Abbildung 160 Temperaturkurve mit Solltemperatur SPT203 DeVeTec DeVeT Druck P205 P206 Druck bar 0 50 100 150 200 250 300 350 400 Datenpunkte 1Dp alle 15 s Abbildung 161 Druckkurve DeVeTec Durchfluss F201 SPF201 Druchfluss kg h Datenpunkte 1Dp alle 15 s Abbildung 162 Durchflusskurve DeVeTec Zur Abschaltung der Verdampfereinheit wird empfohlen den Medienstrom noch etwa 10 Minuten weiter flie en zu lassen Danach werden noch einmal alle Rohrverbindungen auf Dichtheit berpr ft EEE a Du DeVeiec 14 Medienentwicklung mit dem ORC Pr fstand 14 1 Zielstellung Die Zielstellung dieser Arbeit besteht darin ein neu entwickeltes ORC Medium mit einem bekannten hinsichtlich des Einflusses auf den ORC Kreisprozess und die ORC Anlage zu vergleichen Dazu sollen von beiden Medien die Prozessparameter unter gleichen Bedingungen am selben Pr fstand aufgenommen und gegen bergestellt werden Das zu untersuchende ORC Medium wurde vom Projektpartner EVONIK Industries unter dem Namen ORCent111 entwickelt und hat sich im Vorfeld in Computersimulationen und Vortests gegen ber weiteren Neuentwicklungen d
240. tauscher auf eine maximal zul ssige Temperatur von 500 C auszulegen Bei dieser Temperatur kommt 16Mo3 zum Einsatz Da die tats chliche Rauchgastemperatur bei max 560 C liegen kann ist eine Rauchgask hlung mittels Frischluftgebl se vorgesehen Neben der Rauchgask hlung sorgt das drehzahlgesteuerte Frischluftgebl se im Stillstand der ORC Anlage f r eine DeVe ec Bel ftung des W rmetauschers Es sorgt daf r dass kein Rauchgas ber die Leckagestellen der Abgasklappen in das Geh use und in die Rauchgasleitungen vom und zum Rauchgasw rmetauscher gelangt Spezifikation des Saugzuggebl ses Funktionsweise des Saugzuggebl ses nach ORC W rmetauscher im Anfahrprozess Beim Start der ORC Anlage soll das Saugzuggebl se die Abgase die sonst ber den bisherigen Abgasweg geleitet wurden ansaugen Zum Schutz des Saugzuggebl ses ist die Abgastemperatur nach ORC W rmetauscher auf derzeit 200 C begrenzt Wird dieser Wert berschritten f hrt die Anlage sofort runter Da der ORC W rmetauscher zu Beginn des Anfahrprozesses kalt ist wird die Abgastemperatur nach ORC W rmetauscher und somit im Kamin stark abfallen Um dies zu verhindern wird die Temperatur im Kamin ber die Drehzahl des Saugzuggebl ses auf 150 C geregelt Somit wird vermieden dass die Abgase im Kamin zu weit abk hlen Beim Angebot sollte angegeben werden mit welchen minimalen Abgastemperaturen das Saugzuggebl se betrieben werden kann Funktionsweise des Saugzugge
241. tellung us22220000200000RBnnnne nennen 211 14 3 2 Aufnahme der SattdampfkurVveE nesssseseseresusresureresurserureresunerrureresunerssrerenunereurererurene 215 14 3 3 Thermischer Wirkungsgrad sssssssesseeserrrresrrrserrrrssrrressrrreserersserreserersseereserereseerese 216 14 3 4 Leistungs Druck K rVE ee ee ee teile 218 14 3 5 lemperaturuntersrenze een 218 14 3 6 SIESSTIE ner Eee 218 14 3 7 berpr fungen und Materialvertr glichkeit ucenseeesneeesnneesnnnnennnennnnnnnnnnennnnnnnnn 219 14 3 8 Anlagenwartung Reparaturen und Umbauten zus2222000020nsnesnnnnneesnnnnnennennen 221 14 3 9 PFOTOKO UNI ee een re 222 14 4 Ver ehe AUSWErLUBD ee ee ee se 223 DeVe cc 14 4 1 Vorbemerkungen und Fehlerbetrachtungen s22222008220000nnnnnnennnnne nenne 223 14 4 2 Th ermischer WULKUNSSBL U ee een 226 14 4 3 Leistungs DF CKEKUIVE een rent 243 14 4 4 TempeFaturuntergrenze nee 244 14 4 5 TESSO T ee ee ep 246 14 4 6 Materialbest ndigkeit u 0ni nee 246 14 5 Zusammenfassung der Ergebnisse sorcerien E T 250 14 5 1 ORCERELLENVS Ethanol esse rer een 250 14 5 2 Fehlerquellen Probleme und Optimierungsm glichkeiten uss22220s222seee 00 251 15 Fortschreibung des Verwertungsplans uus22200002essnennnnnennnnnnnnnnnnnnnnnnnnnennnnnnnnnnnnnnnnnnnsnennnnnen 255 15 1 Erfindungen Schutzrechtsanmeldungen 222222200sseeeeeeeeesnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnneeee
242. tenzial f r jeweils mehrere Anlagen bzw k nnen durch eine Portfolio Erweiterung mit ihren Produkten und Dienstleistungen die Technologie schneller in den Markt bringen In der Glasindustrie ist in den n chsten Jahren nach der erfolgreichen Feldtest und Monitoringphase eine Nachfrage nach solchen Anlagen zu erwarten gerade auch mit Hinblick auf die Verpflichtung zur Verbesserung der Energieeffizienz die europ isch durch die Energieeffizienzrichtlinie gefordert sein wird Auch an den Chemiestandorten von Evonik und anderen Chemieherstellern w rden solche ORC Anlagen die Energieeffizienz deutlich verbessern Durch eine sp tere Herstellung in Serienfertigung k nnen Skaleneffekte erzielt werden Damit k nnen Marktbereiche und Anwendunssfelder erschlossen werden die mit heutigen Anlagekonzepten nicht wirtschaftlich abgedeckt werden k nnen da heutige ORC L sungen oft noch zu teuer sind und L sungen f r die Leistungsklasse 200 400 kWa fehlen Durch eine Fokussierung auf diese Leistungsklassen wird eine Marktnische besetzt Dazu m ssen zuk nftig die Zulieferstrukturen weiter aufgebaut werden und auch diese Zulieferer als Multiplikatoren bei der Vermarktung gewonnen werden Anlagenbauer Hersteller von Generatoren Motorhersteller Die beiden Projektpartner Evonik Industries und Badische Stahlwerke Badische Stahlengineering werden mittelfristig die ORC Systeme in ihr Vermarktungsportfolio aufnehmen Bis die aktive Vermarktung startet werd
243. tration von H2S unter dem Grenzwert lag dann muss im Falle eines Verdampferausfalls infolge von Korrosion der W rmetauscherhersteller haften allerdings ist diese Klausel zeitlich befristet berschreitung des Taupunktes von Schwefliger S ure im Betrieb Um sicherzustellen dass der Taupunkt nicht unterschritten wird muss in Abh ngigkeit der Anlagenparameter der Taupunkt ermittelt werden Dies geschieht entweder durch Messung mit einem Taupunktmessger t durch einen externen Pr fer oder durch eine Worst Case Betrachtung Wir haben zusammen mit dem Chemieingenieur Herrn Schneider ein Excel Tool entwickelt mit der eine Worst Case Betrachtung durchgef hrt werden kann Durch Eingabe des Wasserdampfanteils im Rauchgas und des Schwefelwasserstoffanteils im Biogas wird die Taupunktgrenztemperatur bestimmt Rauchgaszusammensetzung Anii Wasserdampf Antel S02 in mam ppm Antel 592 In mie cppm v Umea 5042 503 M 503 vWolumenanteil bei pgen 5 25 ppm S03 Volumenanteii hei pgen v 15 00 ppm y Kaln nanonscner Taupunkt Wasserdampf Kaluitonscher Taupunkt S ure bei ppm Kalk sstorscher Taupunkt S ure hei ppm y maximale pH Werte ger Kondensatle Angabe von ppm Entstenendes 303 t875 mo entsprechend 0 25 mmol Entsteh enge H2904 22 97 mo enisprecheng 25 mmol Verlugbane Protonen 0 47 mmol Resflerende Konzentraion 246 03 Moin Resuftierender pH Wert gt 159355741 Angabe von ppm v Entstenenoes Sc of mg emspretnend
244. tskraft ber den k rzesten Hebelarm im Gleichgewicht befindet und somit keine Kippbewegung stattfinden kann In diesem Fall betr gt der k rzeste Hebelarm 600 5 mm Die H he h wird mit 3293 mm angenommen Die H he des Schwerpunktes betr gt y 1398 7 mm a F S F f A ai gt Abbildung 159 Ersatzsystem DeVeTec Mit dem aufgestellten Momentengleichgewicht ergibt sich die kritische Last zu G I F h 0 u h 3293 mm 6 2 Da die errechnete kritische Last bei normalem Betrieb nicht bzw nur auf unnat rlichem Wege erreicht werden kann ist der Pr fstand als kippsicher anzusehen 13 6 3 Fotos m m nt Mn f b b 2 i 1 f Zweizylinder Hubkolben expander mit Generatori Vakuumpumpe Speisepumpe ad a z f Verdampfer ie 205 206 Verdampfer steuerung Panel PC Po 7 en s 13 7 Inbetriebnahme des Pr fstandes Die Inbetriebnahme des Pr fstands dient zur Untersuchung ob die Gesamtanlage mit all ihren Anlagenteilen und Komponenten f r die eigentlichen Versuche betriebsbereit ist Die Inbetriebnahme erfolgt ohne die Expansionsmaschine Der Kreislauf wird somit ber den Bypass gefahren Die Ventile V 204 vor Expander und V 205 nach Expander sind geschlossen Zus tzlich werden die Zu und Abdampfleitungen des Expanders mit Verschlussstopfen versehen Der erste Test sieht die berpr fung jede
245. tung auf waren nach entsprechender Wartung jedoch verschwunden Hier wurde so aber auch deutlich welches praktische Gewicht solche Einfl sse haben k nnen die nach rein theoretisch idealen Gesichtspunkten keine Bedeutung h tten 14 4 1 3 Abweichungen durch schwankende Versuchsbedingungen Folgende Bedingungen konnten ber die Versuche hinweg nicht exakt konstant gehalten werden dieser Einfluss wurde aber in Kap 14 4 2 1 weit m glichst korrigiert e Verdampferleistung da schwankende Netzspannung e Kondensatordruck da gleich dem Umgebungsdruck welcher leicht schwankt e Verdampfereintrittstemperatur aufgrund des K hlverm gens des K hlers Umgebungstemperatur e Expanderdrehzahl da leistungsabh ngig Asynchrongenerator 14 4 1 4 Messfehler Messfehler Druck Temperatur k nnen vernachl ssigt werden da sie zum einen verh ltnism ig gering ausfallen d rften und zum anderen f r beide Medien in etwa gleich ausfallen m ssten und sich somit im direkten relativen Vergleich herausk rzen 14 4 1 5 Steuerzeitanpassung Die Steuerzeiten wurden immer nur um 5 verstellt um die ideale Steuerzeit h chster Wirkungsgrad zu finden Ggf liegt die ideale Steuerzeit jedoch zwischen zwei gefahrenen So ist es auch m glich dass z B im Extremfall teilweise die idealen Steuerzeiten getroffen wurden teilweise die ideale Steuerzeit zwischen den eingestellten liegt und somit bei kleiner gew hlten Schritten die Ergebnisse von den
246. tung bleiben gleich der einfach zu berechnende Fall oder den Massenstrom erh hen Optimierung 2 aufwendiger zu berechnen aber effektiver Die Vorgehensweise f r die diese theoretischen Optimierungsma nahmen ist identisch mit der der Unterk hlungsbetrachtung Alle Formeln zur Ermittlung der Prozessverbesserung k nnen von dort bernommen werden Anmerkung Wird f r die Optimierungen der Weg ber den h heren Massenstrom und somit Druck gew hlt sinkt wie erw hnt die Temperatur am Expanderaustritt aufgrund des h heren Expansionsgef lles Dadurch wird die spezifische berhitzungsw rme geringer Analytisch lie e sich diese Optimierung folglich nur durch ein Differenzial berechnen Die hier gew hlte Alternative war wieder die numerisch iterative mittels Excel DeVe ec C Optimierung 3 Die berhitzungsw rme ist die Enthalpie die aufgrund eines zu geringen Expansionsgef lles nicht in mechanische Leistung umgesetzt werden konnte Wird bei gleich bleibendem Massenstrom und gleicher Eintrittstemperatur der Expandereintrittsdruck erh ht sinkt die Temperatur am Expanderaustritt Die Expanderleistung und folglich der Wirkungsgrad steigen Steigert man den Eintrittsdruck dementsprechend dass die Sattdampflinie am Ende der Expansion genau erreicht wird ist die berhitzungsenthalpie nun vollst ndig in mechanische Leistung umgesetzt Die Mehrleistung der Pumpe f r den h heren Druck sei hier vernachl ssig
247. tung und Erfassung in mit Wasser f r Kondensation und Blasenbeobachtung gef llte Beh lter gef hrt a Kolbendichtungen Hier traten besonders w hrend der Aufw rmphase teilweise starke Leckgasstr me auf Bei warmem Expander gingen diese jedoch deutlich zur ck sodass bei Ethanol kein Austritt mehr und bei ORCent111 nur noch ein geringer zu beobachten war ber alle Versuchsl ufe hinweg konnte f r Ethanol abschlie end keine nennenswerte Leckagemenge an dieser Stelle gemessen werden F r ORCent111 betrug sie einige ml pro Versuchstag b Drehschieberdichtungen Auch hier war Leckage im kalten Zustand am gr ten bleib jedoch auch f r Ethanol im warmen Station rbetrieb vorhanden Der Ethanolverlust betrug hier etwa 13 g pro Expanderbetriebsstunde Bei ORCent111 lag der Verlust mit etwa 30 g pro Expanderbetriebsstunde deutlich h her und stieg zum Ende der Versuche hin dar ber hinaus drastisch an Dichtungsverschlei DeVeiec 14 5 Zusammenfassung der Ergebnisse 14 5 1 ORCent111 vs Ethanol Aufgrund vieler m glicher Fehlerquellen und er unter Idealannahmen durchgef hrten Korrektur sowie Optimierungsrechnungen ist das gr te Gewicht einer abschlie enden Bewertung auf die qualitative Aussage zu legen Quantitativ betrachtet ist durchaus anzunehmen dass die endg ltige Realit t bei Anwendungen in Feldversuchen Realanlagen merklich von den vorliegenden Ergebnissen abweichen kann Qualitati
248. tzung des Mediums entstehen kann 14 3 7 berpr fungen und Materialvertr glichkeit Neben den Versuchsl ufen waren noch weitere Tests und Pr fungen von Interesse die sich vor allem auf den Anlagenbetrieb mit ORCENT111 bezogen W hrend der Versuche waren regelm ig Medienproben zu entnehmen welche gesammelt und im Labor von EVONIK analysiert wurden Dabei sollten eventuelle nderungen am Medium insbesondere durch den Temperatureinfluss aber auch Verunreinigungen durch die Anlage untersucht werden Die Proben wurden wie folgt entnommen DeVe ec Tabelle 12 Geplante Medienproben DeVeTec Probe Fassprobe Nullprobe 1 Nullprobe 2 Nullprobe 3 Laufende Probe Nachf llprobe Stresstestprobe Entnahmezeitpunkt Vor dem Bef llen der Anlage aus dem Fass zu entnehmen Nach dem Bef llen der Anlage und kalter Umw lzung im fl ssigen Zustand durch die Anlage aus der Anlage zu entnehmen Nach anschlie endem warmen Umlauf durch den Expanderbypass im dampff rmigen Zustand ca 140 C aus der Anlage zu entnehmen Nach anschlie endem warmen Umlauf durch die Anlage incl Expander im dampff rmigen Zustand ca 140 C aus der Anlage zu entnehmen Regelm ig einmal w chentlich aus der Anlage zu entnehmen Vor und nach Mediennachf llung nach jeweils ausreichender Umw lzung Nach jedem Versuchstag Zweck Feststellung der gelieferten Ausgangsqualit t Feststellung eventueller Verunre
249. ufbau der ORC Anlage begonnen werden Die im Projektzeitplan gesetzten Ziele wurden wie geplant eingehalten Bis zur Beginn der Baustelle Ende Juli wurde der neue Prototyp des V12 Motors gefertigt Weiter wurde die ORC Anlage in Bezug auf die Modulbauweise von Pumpen und Maschinenmodul optimiert und termingerecht fertiggestellt Bereits im Juni wurde durch NuvC mit den Fundamentarbeiten begonnen und damit der Aufbau der Gesamtanlage vorbereitet Vom 22 bis zum 27 07 2013 wurden s mtliche Arbeiten von DeVeTec GmbH mit der Aufstellung des Grundmoduls und des Verdampfers sowie der Einbindung in den Heizkreis abgeschlossen Abbildung 111 CAD Ansicht Maschinenbett amp Expander DeVeTec Abbildung 112 CAD Ansicht Dachrahmen DeVeTec BEE Du 7 Abbildung 113 CAD Ansicht ORC Anlage DeVeTec a R Abbildung 114 Beginn der Aufbauarbeiten DeVeTec DeVe iec 148 Im Anschluss begann NuvC mit der elektrischen Anbindung der ORC Anlage an das Werk sowie mit den Arbeiten am K hlkreis und der Einbindung der ORC Anlage in den 0 8 Warmwasserkreislauf Die Voraussetzungen f r eine Vorbereitung der Inbetriebnahme und die abschlie enden Funktionstests wurden am 09 09 2013 erf llt Aufbau der ORC Anlage war damit offiziell abgeschlossen Pi t A T a Abbildung 115 ORC Anlage Standort Boffzen DeVeTec DeVeiec Die urspr nglich f r Oktober 2013 geplante Inbetriebnahme wurde verz gert da sich Anfang Oktob
250. ufgrund der beengten Platzverh ltnisse war es nicht m glich den ORC Container in unmittelbarer N he zum W rmetauscher zu platzieren In Abstimmung mit BSW wurde in einer Entfernung von 40 Metern zum W rmetauscher und in acht Meter H he ein potenzieller Aufstellungsort ausfindig gemacht A Abbildung 123 Aufstellung ORC Verdampfer incl skizziertem Rohrleitungsverlauf DeVeTec Cihandiatino hrer Einanddbeituung Hedutarmi Abtimnwerkhuno w Nondemnmntrtn ch ur Welungeetyeng 1 p MEANE Abbildung 124 Skizzierter Rohrleitungsverlauf DeVeTec 155 DeVeiec 11 2 Auslegung der Anlage Als W rmequelle dient in Kehl ein mit Erdgas befeuerter Sto ofen zum Aufheizen von Stranggussst cken Brammen auf Walztemperatur Der Ofendruck wird ber die bereits vorhandene Ofendruckregelklappe auf 5 bis 7 Pascal geregelt Allerdings ergaben die Aufzeichnungen dass bei Volllast des Kupolofens die 5 bis 7 Pascal nicht gehalten werden k nnen da selbst bei ge ffneter Ofendruckregelklappe offen 100 der Ofendruck auf bis 25 Pascal steigt Abbildung 125 Messprotokoll des Ofenrauminnendrucks und der Stellung der Ofendruckregelklappe DeVeTec 156 DeVeiec Somit muss die auf der unteren Abbildung angedachte Bypassklappe X104 entfallen da diese Klappe den Staudruck im urspr nglichen Rauchgasweg erh hen w rde was zu einem weiteren Druckanstieg im Ofen f hrt Wegen der Abma e DN 1100 und der Roh
251. uge fenster Hilfe Te an guc sjefsf RER S E X m 072 55 30 000 en fao J500 Joso fioo fxooo 5000 TS ES Abbildung 164 Reiter Status Test der Pr fstandsoftware DeVeTec Unter dem Reiter Status Test wurden die Regelparameter der PID Regler vorgegeben Diese wurden bei der Erstinbetriebnahme des Pr fstands f r Ethanol empirisch durch Probieren und oder Aufnahme der Sprungantwort ermittelt und waren vorgegeben Die Regelung er Temperatur T203 am Verdampferaustritt war im Gegensatz zu den anderen Reglern deutlich vom Medium abh ngig Daher mussten hier die Parameter an das Medium angepasst werden Diese wurden f r ORCent111 anhand der Sprungantwort nach den Einstellregeln von Chien Hrones und Reswick ermittelt Dazu wurde der Anlage ein fester Medienstrom vorgegeben und der station re Zustand der Verdampferaustrittstemperatur abgewartet Anschlie end wurde der Medienstrom erh ht bzw erniedrigt und die jeweiligen Sprungantworten der Verdampferaustrittstemperatur aufgezeichnet Die folgenden Abbildungen zeigen die beiden unterschiedlichen Sprungantworten STan LO C TERRE TETEE o 152 wal T 150 148 146 144 142 140 138 136 134 132 num N AAAA Mad V T vo N t min 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 128 Abbildung 165 Sprungantwort 3 kg h DeVeTec 9 C T 9 A NORD aiia let AAN 2o t min 2 ELF TITITIFIPIPITITLE FI
252. um Ende hin O bar zu erreichen und der Zylinderdruck mit der Vergr erung des Zylindervolumens abnimmt wird der maximal erlaubte Wert f r die Fl chenpressung bei 27 5 bar Zylinderdruck erreicht Der Zeitraum in dem im Zylinder ein Druck von mehr als 27 5 bar herrscht ist allerdings sehr kurz so dass die berschreitung der Maximalwerte nur f r wenige Grad Kurbelwinkel anliegt Zur Ermittlung eines geeigneten Dichtwerkstoffes wurde die Vorrichtung zum Test der Lagerungsvarianten auch zum Test der Dichtungen herangezogen Mit dieser Vorrichtung k nnen die Dichtungen unter Realbedingungen getestet werden Es wurden Dichtungen aus PTFE Compund Materialien PEEK und Metall gepr ft Das Hauptaugenmerk lag dabei auf dem Verschlei verhalten und der Dichtheit Bei den Dichtungen aus Metall genauer Bronze Kupfer und Guss konnte nach den Tests in der Pr fapparatur nur geringer Verschlei festgestellt werden Teilweise wurden die Materialien durch die Reibung aber so hei dass ein Flie en der Werkstoffe in Drehrichtung der Schieber einsetzte also in Richtung der Reibkraft Die Dichtwirkung dieser Materialien konnte in keinem Fall an die der Kunststoffe heranreichen Die PTFE Compound Kunststoffe bertrafen die Metalldichtungen bez glich der Dichtheit Die Haltbarkeit und das Verschlei verhalten waren f r diese Materialien allerdings ein K O Kriterium Es wurden zwei Mischungen getestet Eine mit einem 25 igen Kohleanteil und eine
253. und Isothermen im berhitzten Bereich parallel zueinander verlaufen Dementsprechend w re der Enthalpieinhalt im gew hlten Beispiel bei 250 C und 25 bar gleich dem bei 250 C und 29 9 bar Die logische Folge daraus ist dass die gesamte berhitzungsw rme am Expanderaustritt als mechanische Energie gewinnbar w re Da sich ergibt IP l Gin P zu Ozu Qin 14 4 2 29 w re diese Methode effektiver als ein Rekuperator In der Realit t sind Isenthalpen und Isothermen jedoch nur im weit berhitzen Gebiet mit guter N herung parallel zueinander Mit zunehmender N he zum Nassdampfgebiet weicht das Realverhalten deutlich vom idealen ab Daher hat wie in Abbildung 169 zu erkennen ein Medium bei gleichbleibender Temperatur aber erh htem Druck einen geringeren Enthalpieinhalt Bei konstanter Verdampferleistung stiege der Massenstrom Im vorliegenden Beispiel wird das Enthalpiegef lle unten zwar um die volle berhitzungsw rme von 50 kJ kg erh ht bedingt durch den h heren Druck jedoch oben um 38 kJ kg geschm lert sodass unterm Strich nur ein Zugewinn an mechanischer Expanderleistung von 12 kJ kg bliebe Dennoch w re der Wirkungsgradzuwachs immer gr er als beim Rekuperatoreinsatz was sich schon ganz einfach an der h heren mittleren Temperatur im Diagramm erkennen l sst Diese Optimierungsmethode liefert zwar immer die besten Wirkungsgrade Achtung Nicht unbedingt die besten Wirkungsgradverh ltnisse der Medien zueinan
254. ung 21 Leistungsabsch tzung bei Volllast DeVeTec u0s22000000seenenneennnnesnnnnennnneennnn 42 Abbildung 22 Leistungsabsch tzung bei minimaler Last DeVeTec 0s200000222se nenne nennen 42 Abbildung 23 Anpassung der minimalen Lastanforderungen DeVeTec s 0000000seeeee een 42 Abbildung 24 Material Kondensator DeVeTec 2220s000000senennnnnennnnnnnnnnennnnnennnnnennnnnnnnnnennnnn 43 Abbildung 25 Plattenw rmetauscher und Ausgleichsbeh lter DeVeTec amp Vahterus 44 Abbildung 26 Containerdachansicht von oben DeVeTec 00000000000sse nenne nnnnnennnnne nennen 44 Abbildung 27 Luftkondensator der ORC Anlage Worms DeVeTec amp Hering 0 45 Abbildung 28 Containeraufteilung in drei R ume DeVeTec u0022000000se nenne nnnnnennnnne nennen 48 Abbildung 29 Pumpenmodul DeVeTec u 49 Abbildung 30 Rohrleitungssystem Expander DeVeTec 22200222000000000neRnnnnnennnnnne nennen nenne 50 Abbildung 31 ORC Grundmodul und Rohrleitungssystem DeVeTec 22200000200000 Renner 51 Abbildung 32 Gasseite des Schlosskastens DeVeTec 222000200000200s Rennes nnnnennnnnennnnne nennen 53 Abbildung 33 Montage und Kontroll ffnung des Schlosskastens DeVeTec 000000002see 00 54 DeN elec Abbildung
255. urchgesetzt Als bekanntes Vergleichsmedium dient Ethanol welches bereits in ORC Anlagen eingesetzt wird Bei diesen Versuchen stehen vor allem die technischen Aspekte im Vordergrund Wichtige Vergleichspunkte sind e Dampfdruckkurven e Thermischer Wirkungsgrad e Leistungs Druck Kurve e Minimale Einsatztemperatur e Chemische und thermische Stabilit t e Einfluss auf Anlagenmaterialien Werden beide Medien unter gleichen Voraussetzungen selbe Anlage und gleiche Sollparameter in der Versuchsanlage gefahren lassen sich daraus direkt die relativen Vor und Nachteile des neuen Mediums erkennen und ableiten Die so gewonnenen Erkenntnisse k nnen auf kommerzielle Anlagen projiziert werden um die Wirtschaftlichkeit sowie technische Machbarkeit des Einsatzes des neuen Mediums gegen ber herk mmlichen zu beurteilen 14 2 Versuche vs Simulation Das Verhalten von ORCent111 im Kreisprozess auch im Verh ltnis zu Ethanol wurde vorab bereits ausgiebig durch EVONIK per Computersimulation nachgestellt und lieferte gute Ergebnisse Dennoch sind berpr fungen in einem realistischen Prozess an einer entsprechenden Anlage nicht vernachl ssigbar Reale Fluide sowohl fl ssige als auch gasf rmige verhalten sich nicht ideal sondern weichen teilweise erheblich davon ab So kann z B das ideale Gasgesetz nur f r stark berhitze Gase mit hinreichender Genauigkeit zur Anwendung kommen Abweichungen sind keineswegs konstant oder linear sonde
256. usammengetragen und analysiert Betrieb ohne ORC Maximal zur Verf gung stehende K hl bzw Trocknerleistung im Sommerbetrieb 1458 kW e K hlwassertemperatur 90 C Temperatur im Trockner 80 C Die K hlleistung der Trockenbandanlage ist abh ngig vom e Luftmassenstrom der am W rmetauscher vorbeigef hrt wird Temperaturunterschied AT zwischen Au entemperatur und Temperatur im Trockner Bei einer Au entemperatur von 25 C AT 55 K wird ein Luftmassenstrom von 95 t h ben tigt um 1458 kW an die Luft abzugeben Bei 25 C liegt ein Volumenstrom vom 82 000 m h vor Bei einer Au entemperatur von 35 C AT 45 K wird ein Luftmassenstrom von 116 th ben tigt um 1458 kW an die Luft abzugeben Bei 35 C liegt ein Volumenstrom vom 103 000 m h vor Ein L fter der Fa Stela kann maximal 42 000m h Luft ansaugen Derzeit sind zwei L fter verbaut Problem 85 Betriebsstunden im Jahr herrschen Temperaturen von ber 30 C Beispiel Bei einer Au entemperatur von 35 C k nnen nur 1200 kW an die Luft abgegeben werden die restlichen 258 kW verpuffen ber die Tischk hler Abbildung 87 Analyse der Trockenbandanlage ohne ORC DeVeTec Bereits bei Temperaturen von ber 30 C ist die Trockenbandanlage im Normalbetrieb an den Leistungsgrenzen o m IL DeVeiec 122 Nach Feststellung der Betriebsparameter im Normalbetrieb wurde die Situation im ORC Betrieb analysiert Betrieb mit ORC Maximal zur Verf gun
257. usste nun f r die Synchronisierung eine gesonderte Hardware eingekauft werden Entschieden hatte man sich f r den Woodward Regler easYgen 3200 Abbildung 63 Woodward Regler easYgen 3200 Der Woodward Regler easYgen 3200 ist eine Aggregatsteuerung f r Stromerzeugungsanlagen Er erm glicht Anwendungen im Netzparallelbetrieb im Inselbetrieb und sogar Mehrfachanlagen im Insel oder Netzparallelbetrieb Durch die vielen Ein und Ausg nge zusammen mit der Softwarestruktur erm glicht der Woodward Regler den Einsatz in einem sehr umfangreichen Anwendungsbereich Dieser reicht vom Notstrom Bereitschafts und Spitzenlastbetrieb bis hin zur dezentralen Stromerzeugung oder Kraft W rme Kopplung BHKW sowie Bezugs und Lieferleistungsregelung Die easYgen 3000 Serie kann bis zu 32 Aggregate mit automatischer Folgeschaltung steuern ber ein grafisches Farbdisplay und Softkeys kann die easYgen konfiguriert und parametriert werden Durch die vorhandenen Industrieschnittstellen wie z B CAN RS 232 und RS 485 kann die Kommunikation zu anderen Motorsteuerungen oder SPSen realisiert werden Dabei werden die Protokolle CANopen J1939 und Modbus RTU unterst tzt Ein typischer Betriebsmodus f r diese Steuerung ist der Netzparallelbetrieb In diesem Fall fungiert das easYgen als Motorsteuerung mit Generator Netz und Motorschutz Mit dieser Schaltung k nnen der Generatorleistungsschalter und der Netzleistungsschalter ge ffnet und geschlossen we
258. v betrachtet l sst sich sagen dass ORCent111 kreisprozesstechnisch f r den Temperaturbereich von 130 bis 150 C ein deutlich g nstigeres Fluid darstellt als Ethanol Auch Temperaturen darunter lassen sich ggf noch in kommerziellen Anlagen mit ORCent111 verwirklichen F r h here Temperaturen sinkt zwar der relative Wirkungsgradvorteil also das Wirkungsgradverh ltnis von ORCent111 zu Ethanol bleibt aber dennoch deutlich bestehen Jedoch sind hier die Ergebnisse der Stresstestproben auf chemisch thermische Stabilit t abzuwarten Nachteilig ist dass bereits lt 50 C der Sattdampfdruck von ORCent111 ber dem Umgebungsdruck liegt Dies f hrt im Sommer zu entsprechenden Wirkungsgradeinbu en gegen ber Ethanol wenn die Anlage normalerweise mit Umgebungsdruck im Kondensatorsystem gefahren werden soll Lediglich f r den Einsatz auf Schiffen w re dieser Punkt durch die K hlung gegen Meer bzw Flusswasser relativ irrelevant Aufgrund der hohen Brennbarkeit ist die Zulassung auf Schiffen allerdings fraglich Die steile Tauliniie von ORCenti111 erfordert zudem einen sehr guten inneren Expanderwirkungsgrad und einen hohen Expandereintrittsdruck oder einen Rekuperator um den Verlust durch berhitzung am Expanderausgang Kondensatoreintritt in Grenzen zu halten H here Massen und ggf Volumenstr me von ORCent111 gegen ber Ethanol k nnten die Anpassung von Anlagendimensionen erforderlich oder zumindest empfehlenswert machen Aufgrund der se
259. ventil V206 berdruck Stickstoff aus der Inertisierung aus dem Vorlagebeh lter abgelassen werden da die Versuche bei Umgebungsdruck im Kondensator Vorlagebeh lter durchgef hrt werden sollen 14 3 2 Aufnahme der Sattdampfkurve Dies erfolgte im Anfahrprozess der kalten Anlage wobei der Medienkreislauf ohne Expanderbetrieb ber das Bypassventil V X 203 l uft Dazu wurde der Verdampfer bis ber die Heizst be mit Medium vollgefahren und gehalten sodass keine berhitzungsfl che mehr zur Verf gung stand Folglich trat aus dem Verdampfer nur Sattdampf aus Der Verdampfer besitzt zwar keine F llstandsanzeige jedoch ist die Einstellung der richtigen F llh he leicht m glich Die Anlage sollte nach M glichkeit mit einem fl ssigen Medienvolumen knapp unter dem Verdampfervolumen bef llt werden Dies bietet zwei Vorteile Erstens wird dadurch verhindert dass der Verdampfer durch die Medienpumpe aus dem Vorlagebeh lter berf llt wird und Fl ssigkeit oben am Verdampfer austreten kann Dies k nnte Sch den am Expander Wasserschlag anrichten bzw hier beim Ssattdampfversuch das Ergebnis verf lschen F hrt die Pumpe nun die gesamte Medienmenge in den Verdampfer so sind die Heizst be sicher berflutet da ber diesen noch ein gro es Verdampferfreivolumen zur Verf gung steht A O T BEREEE DeVe ec Die Pumpe ist durch eine F llstands berwachung im Vorlagebeh lter gegen Trockenlauf gesichert jedoc
260. verl ufen in den Zylindern ablesen l sst Es wird ein alles in allem guter Liefergrad sowie ein Aussto druck nur minimal ber dem Druck im Auslasssystem erreicht auch wenn eine Verschlechterung Ersteres bei steigenden Dr cken deutlich wird Jedoch kann sie noch nicht als ausgereift bezeichnet werden und bedarf mechanisch betrachte einer berarbeitung Dies betrifft vor allem die Lagerung incl deren Schmierung und die Abdichtung der rotierenden Drehschieberwellen nach au en DeVeiec Des Weiteren sind die Steuerzeiten beider Zylinder nicht exakt um 180 versetzt Die Abweichung betr gt aufgrund von Fertigungsfehlern ca 3 Dieser Fehler scheint f r relative Medienvergleiche belanglos k nnte aber Einfluss nehmen wenn sich die Medien bei Steuerzeiten nderungen nicht relativ zueinander verhalten 14 5 2 4 Fehler durch Steuerzeiteinstellung Beim Einstellen der Steuerzeiten kann es immer wieder zu kleinen Fehlern um einige 0 1 kommen Wie diese sich auswirken m sste genauer untersucht werden es ist allerdings davon auszugehen dass der Einfluss eher gering ausf llt Bedeutender d rften die Stellschritte sein Die Steuerzeiten wurden immer um 5 variiert Ggf liegt der ideale Betriebspunkt jedoch dazwischen Im Extremfall wird bei einem Medienvergleich mit identischer Steuerzeitmatrix f r ein Medium der Idealpunkt genau getroffen w hrend das andere genau dazwischen liegt Versuche mit kleineren Steuerzeitschritten besond
261. vor allem auf den Expanderkopf mit Drehschiebersteuerung Hier mussten teilweise Dichtungen sowie Lager getauscht werden Bei diesen Arbeiten wurden die zugeh rigen Bauteile ebenfalls gereinigt und auf Funktion und Zustand berpr ft Des Weiteren wurden kleinere nderungen und Erg nzungen an der Anlage zur Vereinfachung und Verbesserung der Bedienung Ergebnisauswertung und des Betriebsverhaltens durchgef hrt DeVe iec 14 3 9 Protokollf hrung Alle Versuche Medienwechsel Wartungen Reparaturen sowie Vorkommnisse und Beobachtungen am Pr fstand wurden tagesweise im Pr fstandsordner protokolliert Dies dient der Dokumentation sowie sp teren Nachvollziehbarkeit der Arbeiten am und mit dem Pr fstand Auf diese Weise wurden Betriebsstunden Anlagen nderungen und Bauteilaustausch erfasst Somit l sst sich z B leicht die Einsatzdauer von Bauteilen ermitteln und anhand ihres Zustandes die Eignung bestimmen Wichtige Daten aus den Protokollen wurden anschlie end ebenfalls in die digitale Form bertragen So lassen sich Daten zusammenfassen und bersichtlich darstellen DeVeiec 14 4 Versuchsauswertung 14 4 1 Vorbemerkungen und Fehlerbetrachtungen 14 4 1 1 Leistungen Wirkungsgrade Verglichen werden hier die Gasleistungen des Expanders miteinander Diese beinhalten nur den inneren Wirkungsgrad nicht jedoch den mechanischen Maschinenwirkungsgrad sowie den Wirkungsgrad des Generators wie es bei der elektrischen Leistung der
262. walsede Evonik 00002000000000 nenne nnnnnennnnnnnnnnennnnnennnnnennnnnnnnnnennn 115 Abbildung 78 MWM Datenblatt Motorenwerke Mannheim us00000000000 nenne nenne nennen 115 Abbildung 79 W rmebedarf der Biogasanlage Kirchwalsede DeVeTec 0s2222000000eneee 0 116 Abbildung 80 Energiebilanzierung von zwei BHKWSs DeVeTec 0002200000000 nenne ennnnennnnennnneenn 116 Abbildung 81 Vereinfachte Darstellung der Bilanzierung DeVeTec s 2000s020se nennen 117 Abbildung 82 Energiebilanzierung von zwei BHKWs mit ORC Technologie DeVeTec 118 Abbildung 83 Vereinfachte Darstellung der Bilanzierung DeVeTec 2200s0202000002eeee een 118 Abbildung 84 Schematische Abbildung einer Trockenbandanlage DeVeTec 119 Abbildung 85 Analyse der Wetterdaten von Juni bis September DeVeTec s20000000000 120 Abbildung 86 Analyse der Wetterdaten von April Mai und Oktober DeVeTec 120 Abbildung 87 Analyse der Trockenbandanlage ohne ORC DeVerTec 00000000se ne ee rennen 121 Abbildung 88 Analyse der Trockenbandanlage mit ORC DeVeTec 00s2000022sneneeneeneneenn 122 Abbildung 89 Auszug aus den Messprotokollen der Biogasanlage Kirchwalsede Evonik 123 Abbildung 90 Energiebilan
263. ward Regler easYgen 3200 uesnsessessnsssnsnensnnsnnnnnensnnnnnnsnnnnnnnnnnsnensnnnnnennnnsnennnnnnn 79 Abbildung 64 Schema des Woodward Reglers sssssssssssseesesrenserrererrrrsssrrresrrrrssrereserresrrerssrereserereseerese 80 Abbildung 65 Topologie Vorher nerra A E N ESET 84 Abbildu ung G6 Topologie nachheT sonsrisarse narenn EAE Ee E 84 Abbildung 67 V8 Motor mit durchg ngigen B nken A und B DeVeTec nrn 91 DeVeiec Abbildung 68 Triax Sensor Kopf A1 Al_PCB_1 10 mV g DeVeTec 0000000s nennen 92 Abbildung 69 Triax Sensor Mitte Bank A BA_PCB_2 10 mV g DeVeTec 00 93 Abbildung 70 Triax Sensor Motorblock M PCB 3 10 mV g DeVeTec uu00000 rennen 94 Abbildung 71 Einachssensor Bosch A1 Al_Bosch_4 5 mV g wegen Kabell nge DeVeTec 95 Abbildung 72 Einachssensor Hansford Bank A BA_Hansford_5 10 mV g DeVerTec 95 Abbildung 73 Einachssensor PCB Bank B BB_PCB_6 10 mV g DeVeTec u000 rennen 95 Abbildung 74 Systemgrenzen Biogasanlage Kirchwalsede DeVeTec 000s02000000se en nee 113 Abbildung 75 Bestimmungsort des ORC Moduls DeVeTec 0 2200022200000nne nenne snnnne nenne nnnneenn 113 Abbildung 76 BHKW Anlage in Kirchwalsede DeVeTec 22000202000020000eRBnnnnnesnnnnnesnneneennenn 114 Abbildung 77 BHKW Kirch
264. werden kann Die Vorw rmung des Motoren ls geschieht im Wesentlichen durch zwei Komponenten Zum einen ist ein W rmetauscher mit einer Leistung von 3 kW installiert welcher elektrisch beheizt wird Zum anderen geschieht die Regelung der ltemperatur am Austritt des W rmetauschers ber ein werksseitig in diesem verbauten Thermostat m ww Abbildung 36 W rmetauscher der Motor lvorw rmung DeVeTec Um das Motor l durch den W rmtauscher zu transportieren wird eine externe Schmierstoffpumpe ben tigt deren Eigenschaften und weitere Verwendung im folgenden erl utert werden 55 DeVe iec 6 2 2 2 Externe drehzahlgeregelte lpumpe 56 Anders als beim Expansionsmotor auf Basis des 8 Zylinder V Motors der Firma Deutz wurde bei den Motoren auf Basis des MWM Motors eine externe Schmier lpumpe verbaut Dies hat den Vorteil dass die Pumpendrehzahl und damit der Schmier lvolumenstrom geregelt werden kann und nicht mehr abh ngig von der Drehzahl des Expansionsmotors sind So kann im Bedarfsfall die Pumpendrehzahl angepasst werden um einem zu niedrigen oder zu hohem ldruck entgegenzuwirken Bei der eingesetzten lpumpe handelt es sich um eine Schraubenspindelpumpe Pumpenseitig ist weiterhin ein einstellbares Sicherheitsventil verbaut um den maximalen ldruck zu begrenzen Der Druck im Schmier lkreislauf wird ber die Pumpendrehzahl und damit ber die Steuersoftware der ORC Anlage geregelt Mithilfe dieser
265. z einer Kraft W rme Kopplung mit moderater Abnahmemenge von Nutzw rme Tabelle 15 Annahmen Kennzahlen und resultierende CO Substitution der ORC Anlage Standort Boffzen DeVeTec Substituierte Erdgasmenge durch thermische Leistung 210 000 00 m CO Einsparung W rme 502 006 68 CO Einsparung Strom 668 160 00 CO Einsparung gesamt 1 170 166 68 15 3 Wissenschaftliche und oder technische Erfolgsaussichten nach Projektende Die ORCent Technologie kann in mehreren Bereichen Industrien Anwendung finden Die gr ten Marktpotenziale liegen im Bereich der industriellen Abw rmenutzung und der Kombination mit verschiedenen Biomasseanwendungen im Bereich der dezentralen Energieversorgung Aufgrund der hohen Energiepreise f r die klassischen Brennstoffe l und Gas gewinnen zunehmend Anlagen die mit anderen Brennstoffen befeuert werden an Bedeutung Dazu DeVe iec z hlen Bio Deponie und Grubengasanlagen sowie Anlagen mit Holzbefeuerung und schlie lich Geothermieanwendungen Bei den oben genannten erneuerbaren Anlagenkonzepten kann oft eine ORC Anlage sinnvoll eingebunden werden und verbessert somit die finanziellen Kenndaten und erlaubt das Erreichen von vorgegebenen Kapitalr cklaufzeiten Zus tzlich k nnen Abw rmestr me aus einer Vielzahl von Fertigungsanlagen wie Gie ereien Papierproduktion Gro b ckereien Stahlveredlung etc genutzt werden Die beteiligten Projektpartner sehen in ihren Konzernen bereits ein Po
266. zierung der BGA im Volllastbetrieb ohne ORC im Winter DeVeTec 124 Abbildung 91 Energiebilanzierung der BGA im Volllastbetrieb mit ORC im Winter DeVeTec 125 Abbildung 92 Energiebilanzierung der BGA im Volllastbetrieb mit ORC im Sommer DeVeTec 125 Abbildung 93 ORC Modul DeVeTec 000022000200seennenesnnnnesnnnnennnnnennnnnnnnnnennnnnennnnnennnnnnnnnnenen 126 Abbildung 94 Aufbau Container DeVeTec 0s000000000sennenennnnennnnennnnnennnnnennnnnnnnnnnnnnnnennn 127 Abbildung 95 Aufbau Container mit ORC Expander DeVeTec 00000000220ne nenne ennnnennnneenn 128 Abbildung 96 Komponenten des Dampfkreisprozess DeVeTec 220000220000020nnneennenneesnen 128 Abbildung 97 Rohrleitungen im Erdreich vor den beiden BHKW Ss Areva seneese 130 Abbildung 98 Fundamente f r ORC Anlage DeVeTec 0s0200000000ennnneennnnennnnnennnnne nenne nnnnennn 131 Abbildung 99 Aufstellung der ORC Anlage im 3D DeVeTec u02220002000 nenne nnnne nenne nnnneenn 131 Abbildung 100 Aufstellung der ORC Anlage vor Ort DeVeTec us20000002000 nenne nnnne nennen 132 Abbildung 101 H2S Konzentration in Kirchwalsede DeVeTec 2000000000200s ee neenesnnnnennnneenn 133 Abbildung 102 Dezentrale Anordnung Container u Verdampfer in Worms csesssssesnssnesnennennnneenn 135 Abbildung 103 Aufst
267. zu nutzen Beim ORC wird ein Abw rmestrom eines Prozesses oder einer entsprechenden W rmequelle zur Verdampfung eines organischen Mediums in einem Kreisprozess bei moderatem Druck genutzt das dann in einem Expander auf einen niedrigeren Druck entspannt einem Totalkondensator zugef hrt und anschlie end vor der erneuten Verdampfung auf den h heren Druck verdichtet wird Speise pumpe Pin 20c 1 7 MW Tin gt 400 C P 1 3 MW bertragene Leistung Kondensator nor 15 18 122 Erw rmung fl ssige Phase 2 gt 3 Verdampfung 3 gt 4 berhitzung 4 gt 5 Entspannung 56 Kondensation 6 gt 1 Druckerh hung Dampfmotor P 1MW KWK Nutrw rme P 200 kW Abbildung 1 DeVeTec ORC Prozess DeVeTec Die ORC Technik wird bereits seit vielen Jahren erfolgreich zur Verstromung von Abw rme eingesetzt meist bei fester Biomasse und im Bereich der Geothermie Diese beiden Anwendungen unterscheiden sich hinsichtlich der verf gbaren Temperatur der W rmequelle und hinsichtlich der im ORC Prozess verwendeten Medien sehr deutlich Bedingt durch die niedrigen Temperaturen bei Geothermie Prozessen ist der Wirkungsgrad von ORC Systemen f r diese Anwendung sehr niedrig lt 10 Daher kommen f r diese Anwendung in der Regel nur sehr gro e Anlagen zum Einsatz mehrere MW elektrische Leistung In Verbindung mit Biomasseanlagen liegt der Wirkungsgrad herk mmlicher ORC Module derzeit laut Hersteller

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