Energieanlagen des 21. Jahrhunderts mit 4-Takt-Motoren vertrauen auf Feuchtemessung durch Vaisala

Die Emissionen von Energieanlagen (insbesondere Stickoxide) lassen sich kontrollieren, indem der Feuchtegehalt der Ladeluft des Motors überwacht wird. Eine genaue und verlässliche Feuchtemessung liefert die Daten, die zur Steuerung und Optimierung des Motorbetriebs unter wechselnden Umgebungsbedingungen erforderlich sind, während gleichzeitig Wasserkondensat in den Maschinensätzen (Gensets) vermieden wird. Energieanlagen gibt es auf der ganzen Welt, auch in Gegenden mit extremen Wetterbedingungen, von arktisch-sibirischem bis zu tropischem Klima. Versorger und unabhängige Energieerzeuger verwenden die Anlagen, um Energie ins Netz einzuspeisen, und Industriekunden erzeugen Energie für ihren Eigenbedarf.

Wärtsilä Energieanlagen sind für die Stromerzeugung sowohl unter Spitzenlast als auch bei mittlerer und Grundlast auf optimale Leistung ausgelegt. Sie erfüllen den aktuellen Strombedarf auf flexible Weise und bieten dem Besitzer der Energieanlage echte Flexibilität im Betrieb. Die Anlagen werden üblicher Weise mit Erdgas, Schweröl oder flüssigen Biokraftstoffen betrieben.

Je nach den vorherrschenden Anforderungen kann die Kapazität der Kraftwerke von wenigen bis zu hunderten Megawatt betragen. Energieanlagen haben üblicher Weise 1–40 turbogeladene Gensets im Größenbereich von 1 bis 23 MW pro Einheit sowie die erforderlichen Zusatzaggregate.

Emissionen und Wirkungsgrad

In Ländern auf der ganzen Welt ist der Betrieb von Energieanlagen durch strenge Bestimmungen und Emissionsgesetze reguliert. Die Reduzierung von Emissionen ist zu einem der wichtigsten Trends im heutigen Energiemarkt geworden. Die Reduzierung von Emissionen ist jedoch nicht immer kompatibel mit dem Wirkungsgrad beim Betrieb. Daher sind für optimale Ergebnisse Kompromisse erforderlich.

Feuchtigkeit in der Ladeluft hat positive Auswirkungen auf die Verbrennungstemperaturen im Motorenzylinder, da hierdurch die Spitzentemperatur, bei der die Bildung thermaler NOx-Emissionen des Motors stattfindet, verringert wird. Eine Feuchtemessung der Einlassluft wird daher eingesetzt, um die Parameter der Motorsteuerung zu optimieren, und um den Motorwirkungsgrad und Emissionen in optimalen Bereichen zu halten.

Turbolader und Ladeluftkühler

Der Turbolader des Motors ist ein Gaskompressor, der die Umgebungsluft für die Motorenzylinder komprimiert, indem er die eigenen Auspuffgase des Motors als Kraftquelle nutzt. Bei diesem Vorgang erhöht sich die Ladelufttemperatur; sie muss gekühlt werden, bevor sie in die Zylinder gelangt. Die Kühlung der Ladeluft erfolgt durch einen wassergekühlten Wärmetauscher, den Ladeluftkühler. Der Kühlwasserkreislauf ist ein geschlossenes System, in dem das heiße Wasser aus dem Motor in einem Zusatzaggregat gekühlt und dann dem Kühlkreislauf mit der richtigen Temperatur und Flussgeschwindigkeit wieder zugeführt wird. Die Steuerung der Kühlwassertemperatur wird durch die Taupunkttemperatur der Ladeluft bestimmt. Um Kondensation im Ladeluftkühler und die dadurch sinkende Kühlwirkung zu vermeiden, muss die Kühlwassertemperatur über der Taupunkttemperatur der Luft liegen.

Kondensation im Kühler birgt auch eine Korrosionsgefahr für die Kühlrippen.

Früher – ein Produktkatalog

Vor mehreren Jahren entschieden sich Energieanlagenbetreiber, die Feuchtigkeit in der Umgebungsluft als ein zu überwachendes Element aufzunehmen. In jener Zeit wurden Produkte aufgrund der Daten bestellt, die in den Produktkatalogen angegeben waren. Das ausgewählte Produkt war der Vaisala HMP231. Als die neue Generation der Feuchtemesswertgeber Vaisala HMT330 herauskam, wurde lange nach einem geeigneten Ersatz für den HMP231 gesucht, und schließlich wurde der direkte Nachfolger HMT331 als Ersatz ausgewählt. Bereits zu diesem Zeitpunkt war jedoch klar, dass an einigen Werksstandorten die äußeren Bedingungen so hart waren, dass die weiterentwickelte Version HMT337 verwendet werden sollte. Während das Wissen um die Auswirkung von Feuchtigkeit auf die Genset-Leistung über die Jahre wuchs, war ganz klar zu sehen, dass Feuchtigkeit nicht nur die Emissionen beeinflusste, sondern auch die Wirksamkeit des Turboladers. Infolgedessen wurden Feuchtigkeit und Taupunkt als Motorsteuerungsparameter mit aufgenommen. Bei der Verwendung eines Parameters zu Steuerungszwecken ist eine sehr zuverlässige Messung wichtig, um einen optimalen Wirkungsgrad, höchste Qualität und niedrigste Betriebskosten zu erreichen.

Heute – enges Teamwork

Die Feuchtesensoren besitzen auch eine Purge-Funktion, mit der chemische Verschmutzungen, wie z. B. gasförmige Substanzen, die im Messbereich absorbiert worden sein könnten, verdampft werden. Diese Luftreinigung reinigt den Sensor von innen und verbessert seine Stabilität und Genauigkeit. Durch die beheizbare Sonde kann der Anwender immer sicher sein, dass der Sensor auch nach einer stundenlangen Kondensation (100 % rF) über Nacht (besonders in den Tropen) genaue Auslesungen übermittelt, sobald der Feuchtegehalt der Luft wieder unter 100 % rF fällt. Die beheizbare Sonde verhindert auch die Bildung von Kondensation auf dem Sensorelement selbst und minimiert so jegliche Verschmutzungen, welche die Messungen beeinträchtigen könnten.

Die Sondenheizung und die Chemikalien-Reinigungsfunktion sichern gemeinsam die Langzeitstabilität für die Feuchtemessung. Als Ergebnis der engen Zusammenarbeit bietet die Ausstattung mit dem HMT337 eine zuverlässige Methode, die wichtigsten Messungen für Prozessberechnungen durchzuführen, die zur Steuerung des Betriebs der Energieanlage verwendet werden, um den hohen Wirkungsgrad und die niedrigen Emissionen zu erreichen, für welche die Motoren ausgelegt sind.

… und schnelle Lieferung

Gensets und Nebenaggregate der Energieanlagen werden heutzutage meistens in Containern geliefert, die alles beinhalten, was für die Kommissionierung des gesamten Werks erforderlich ist. Alle zu liefernden Bestandteile werden an einem zentralen Versandort gesammelt und für die zeitgerechte Lieferung in Container verladen.

Je nach dem endgültigen Ziel werden die Container verschifft, auf Lastwagen oder auf Züge verladen – oder in besonderen Fällen als Luftfracht versendet. Um das Projekt nach Plan zu liefern, ist es wichtig, dass die richtigen Bestandteile geliefert werden, und dass sie zur vereinbarten Zeit am Verpackungsort vorliegen. Gemeinsam mit Wärtsilä hat Vaisala einen werksseitig montierten und kalibrierten Messaufbau entwickelt, der auch das Installationszubehör enthält, um sicherzustellen, dass die Lieferung schnell und gemäß dem Zeitplan des Anlagenbetreibers erfolgt. Da der gesamte Aufbau standardisiert wurde, wird in allen Werken genau die gleiche Einheit verwendet, was einen Anschluss und eine vorbereitete Installation an jedem Werksstandort ermöglicht.
 

Der Artikel wurde zuerst veröffentlicht in den Vaisala News 181/2009 (Senja Paasimaa / Regionalleiter / Vaisala / Helsinki, Finnland & Jenny Valo / Leitender Entwicklungsingenieur für Anlagen-Performance, Umwelttechnik und Energieanlagentechnik / Wärtsilä Finnland Oy / Vaasa, Finnland)