Mit Gasturbinenlösung senkt chinesisches Kraftwerk die NOx-Emissionen

Regierungen auf der ganzen Welt gehen hart gegen den Ausstoß von Stickoxiden (NOx) vor, nicht nur beim Transport, sondern auch bei Gasturbinen, wobei die Betreiber in Ausrüstung investieren müssen, um immer strengere Standards zu erfüllen.

Um sicherzustellen, dass ein 500-MW-Kombikraftwerk in Tongzhou in China die neuen Gesetze erfüllen kann, hat Sulzer ein maßgeschneidertes Verbrennungs-Automatik-Tuning-Anpassungssystem (CATS) entwickelt, schreibt Lucas How.

Durch die fortschrittliche Lösung mit geschlossenem Kreislauf konnten hohe Investitionsausgaben und lange Vorlaufzeiten für die Rauchgasentstickung und Brennermodernisierung vermieden werden – und das alles bei gleichzeitiger Sicherstellung der Effizienz der Gasturbine durch den Ausgleich wichtiger Betriebsparameter.

Im Jahr 2021 gab die Provinz Jiangsu in China ihren „Luftschadstoffemissionsstandard für stationäre Gasturbinen“ bekannt, der vorsah, dass bis März 2023 alle Gasturbinen in der Region einen NOx-Emissionsgrenzwert von 30 mg/m3 (Standardzustand, Trockenbasis) erreichen müssen , 15 % O2).

Dies stellte ein Kraftwerk in Tongzhou vor eine Herausforderung. Es wurde festgestellt, dass die Siemens V94.2-Gasturbine der Anlage im Normalbetrieb zwischen 35 und 45 mg/m3 NOx ausstößt. Um die neue Abgasnorm zu erfüllen, war klar, dass die Turbine eine Nachrüstlösung benötigte.

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Die Betreiber des Werks wandten sich an Sulzer, einen weltweit tätigen unabhängigen Dienstleister für rotierende Anlagen mit unübertroffener Tradition.

Über ein weltweites Netzwerk spezialisierter Servicezentren bietet Sulzer erstklassige Reparaturen und Upgrades für alle Arten von Turbomaschinen an. Mit seinem unermüdlichen Innovationsansatz bietet Sulzer marktführende Lösungen, um den modernen Betriebsanforderungen von Gasturbinen gerecht zu werden. Daher lag es nahe, mit dem Unternehmen zusammenzuarbeiten, um den besten Ansatz zur Emissionsreduzierung zu finden.

Die erste von Sulzer untersuchte Option war die Rauchgasentstickung. Ähnlich wie bei Dieselfahrzeugen, die AdBlue verwenden, würde eine Harnstofflösung in den Gasstrom eingebracht, um die selektive katalytische Reduktion (SCR) durchzuführen – eine bewährte Methode zur Reduzierung von NOx-Emissionen.

Da die Turbine jedoch nicht mit diesem System ausgestattet war, wären Investitionskosten von etwa 2 Mio. US-Dollar und jährliche Betriebsausgaben von 685.000 US-Dollar erforderlich.

Eine kostengünstigere Option war ein Brenner-Upgrade. Der Austausch einer Brennerkartusche mit niedrigem NOx-Gehalt würde jedoch immer noch einem Investitionsaufwand von 342.000 US-Dollar und einem jährlichen Betriebsaufwand von 137.000 US-Dollar entsprechen.

Beide Optionen wären nicht nur kostenintensive Lösungen, sondern hätten auch lange Vorlaufzeiten und damit verbundene Ausfallzeiten, was für eine Stromerzeugungsanwendung nicht ideal wäre.

Stattdessen schlug Sulzer eine fortschrittlichere Lösung vor. Durch den Ausgleich der Verbrennungsparameter innerhalb der Gasturbine konnte die Abgasnorm eingehalten werden.

Dies würde ein CATS erfordern, das eine dynamische Echtzeitsteuerung des Prozesses ermöglichen könnte. Seine Hauptfunktion wäre die Optimierung der Verbrennungsstabilität durch die Identifizierung und Reaktion auf Betriebsschwellen, um die NOx-Emissionen unter dem gesetzlichen Grenzwert zu halten.

Sulzer schätzte, dass ein solches System für rund 685'000 USD entwickelt, getestet und implementiert werden könnte. Zu den Hauptvorteilen gehörten eine relativ kurze Durchlaufzeit und minimierte Betriebskosten, sobald das System betriebsbereit war.

Bevor das CATS entworfen werden konnte, war es wichtig, die wichtigsten Verbrennungseigenschaften zu identifizieren. Dazu müssten große Datenmengen zur Turbinenverbrennung, zur NOx-Erzeugung und zu bestehenden Steuerungen gesammelt werden.

Über sechs Monate lang sammelte und analysierte Sulzer Zehntausende Sätze von Betriebsdaten der Anlagen und ermittelte die charakteristischen Werte für Schwellenwerte, deren Überschreitung die Verbrennungsstabilität und die NOx-Emissionen beeinträchtigen würde. Dies würde dazu beitragen, das Kontrollmodell zu erstellen, an das sich das CATS halten würde.

An der Turbine selbst wurden umfangreiche Untersuchungen durchgeführt. Im Rahmen dessen wurden Verbrennungsabstimmungstests unter verschiedenen Betriebsbedingungen durchgeführt, um Parameter zu bewerten.

Während aller Tests wurde eine kontinuierliche Überwachung der NOx-Emissionen durchgeführt, um zu zeigen, wie sich bestimmte Parameter auf die Emissionen auswirken. Der Schlüssel bestand darin, den Emissionsstandard zu erreichen, ohne den Wirkungsgrad der Gasturbine zu verringern.

Die Ergebnisse zeigten, dass die NOx-Emissionen durch die Verbrennungstemperatur, die Kraftstoffvariabilität, die Luftfeuchtigkeit, die Umgebungstemperatur und ein als Brummen bekanntes Phänomen beeinflusst wurden.

Unter Brummen versteht man Druckschwankungen, die durch Verbrennungsinstabilitäten verursacht werden. Um ein automatisches Steuerungssystem zu schaffen, müssten alle diese Faktoren mithilfe von Sensoren gemessen werden.

Diese Signaldaten müssten dann verarbeitet und auf die im Rahmen der Forschung ermittelten Betriebsschwellenwerte angewendet werden. Dann könnte ein Regelungsmodell für eine stabile Verbrennung realisiert werden, mit dem die neue Abgasnorm erreicht werden könnte.

Basierend auf den Erkenntnissen und Analysen entwickelte Sulzer das modulare Steuerungssystem intern und führte den Entwurf der Steuerungsstrategie, die Konfiguration der Steuerungslogik und die Simulationsverifizierung durch.

Das System ist so konzipiert, dass es sich nahtlos in das derzeit in der Gasturbine installierte Steuerungssystem integrieren lässt. Außerdem wurde eine benutzerdefinierte Schlüsseldatenanzeige implementiert, die Signaldaten verschiedener Parameter anzeigt, darunter NOx, Brummen, Erdgaswärme, Luftfeuchtigkeit und Temperatur.

Zu den über die maßgeschneiderte Steuerschnittstelle verfügbaren Funktionen gehören spezielle Module für die automatische Kraftstoffanpassung, eine Verbrennungsstabilitätssteuerung, eine Reduzierung der NOx-Emissionen, eine Leistungsoptimierungssteuerung, eine manuelle Eingabefunktion für den Brennwert des Kraftstoffs, eine Funktionsstatusanzeige, einen Warnalarm und eine Verlaufsgrafik.

Im Betrieb sorgt das CATS für eine Regelung mit geschlossenem Regelkreis und nutzt die Rückmeldung von Sensorsignaldaten, um die Betriebsparameter innerhalb der gewünschten Schwellenwerte zu halten.

Wenn ein Signalwert den gewünschten Bereich überschreitet, werden automatische dynamische Anpassungen vorgenommen, um sicherzustellen, dass wichtige Parameter wie Emissionen, Verbrennungsdynamik, Leistungsabgabe und Effizienz eingehalten werden.

Darüber hinaus ist durch die Nutzung historischer Daten, die während der Forschung und des Betriebs gesammelt wurden, auch eine Feed-Forward-Steuerung möglich. Mithilfe von Modellen zur Vorhersage der Verbrennungsstabilität unter verschiedenen Bedingungen kann das System auch proaktive Maßnahmen zur Kontrolle der Verbrennung ergreifen.

Dieser Aspekt des Systems wird mit der Erfassung von Daten immer leistungsfähiger, wodurch die Eigenschaften der einzelnen Turbinen entsprechend neu kalibriert werden. All dies stellt sicher, dass die NOx-Emissionen während des Betriebs reduziert werden, da verhindert wird, dass die Gasturbine in ungünstige Betriebsbedingungen abdriftet.

Über eine Reihe von Lasten, Gasheizwerten, Luftfeuchtigkeit und Umgebungstemperaturen hinweg war das CATS in der Lage, durchschnittliche Emissionen unter dem Standard von 30 mg/m3 zu liefern.

Tatsächlich liegt der höchste Momentanwert der NOx-Emissionen der Turbine seit ihrer Installation unter 28,5 mg/m3, mit einem Stundendurchschnitt von nur 27 mg/m3 – 25 % bis 30 % niedriger als der durchschnittliche NOx-Emissionswert im Jahr 2020 .

Dadurch wird sichergestellt, dass die Turbine nun den in der Provinz Jiangsu in Kraft tretenden Luftschadstoffemissionsstandard für stationäre Gasturbinen erfüllt.

Diese bahnbrechende CATS-Lösung hat dem Kraftwerk eine einmalige CAPEX-Einsparung von 1,4 Millionen US-Dollar beschert und gleichzeitig eine OPEX-Einsparung von über 41.000 US-Dollar pro Turbine pro Jahr erzielt.

Das System hat die Emissionen im ersten Betriebsjahr um 120 Tonnen reduziert und so jährliche CO2-Steuereinsparungen von fast 44.000 US-Dollar ermöglicht. Darüber hinaus ist das CATS vollständig auf andere ausgewählte Schwerlast-GT-Modelle von Siemens, General Electric und Mitsubishi anwendbar, sodass diese vielfältigen Vorteile auch von anderen Kombi- und Gaskraftwerken erreicht werden können.

Sulzers umfassende Branchen- und Lösungskompetenz bietet Kraftwerken das Gasturbinen-Know-how, das sie benötigen, um zuverlässig und kostengünstig eine stabile Verbrennungsleistung und reduzierte Emissionen zu erreichen.

Mit einer bewährten, maßgeschneiderten Steuerungslösung können ältere Turbinen modernisiert werden, um neue Effizienzstandards zu erreichen und gleichzeitig die langen Vorlaufzeiten und Investitionen für Ersatzausrüstung zu vermeiden.

Da Emissionsnormen auf der ganzen Welt immer strenger werden – ein Trend, der sich fortsetzen wird – haben Betreiber jetzt Zugang zu einer neuen technischen Innovation, die ihren Bemühungen zur Reduzierung von Emissionen und zur Verbesserung der Effizienz neuen Schwung verleihen kann.

Lucas How ist Marketing- und Kommunikationsmanager, APAC Services, bei Sulzer Singapur.