Erfahrungen beim Monitoring von Biomasse Heizwerken gemäß QM Heizwerke
Damit die erfassten Betriebs-Daten interpretiert und beurteilt werden können, ist eine grafische Darstellung der Daten unerlässlich. Dabei sind nachfolgende Kriterien zu erfüllen.
Analyse der Wärme-Erzeugungsanlage und des Netzes:
Vorgesehen ist die Darstellung von mindestens vier Diagrammen je Wärmeerzeuger, getrennt für den Zeitraum über einen Tag und über eine Woche, jeweils für Volllast (Winter) und Teillast (Sommer). Davon ausgenommen sind Kessel, die im Sommer nicht in Betrieb sind.
Der Netzbetrieb wird, wenn möglich, in getrennten Diagrammen dargestellt. Wenn ein Pufferspeicher und eine Kondensationsanlage vorhanden sind, dann auch dafür entsprechende Darstellungen. Die Darstellungen sind lesbar -es muss eindeutig erkennbar sein, welche Messreihe welcher Kurve und zugehöriger Skala zuzuordnen ist - und die relevanten Skalen zum Ablesen der Werte eingeblendet sein. In alle Diagramme wird zur Vergleichbarkeit dasselbe Zeitfenster im Sommer, Übergang bzw. Winter dargestellt. Die Zuordnung zwischen Diagramm und Komponente muss erkennbar sein. Ist aus Ausstattungsgründen keine direkte Visualisierung der Betriebsdaten möglich oder die Darstellung unleserlich, so sind die Daten in Heizbil 1.1 oder andere Programme aus CSV Dateien zu übertragen, um dort auswertbare Darstellungen zu erhalten. Im Folgenden finden Sie beispielhaft eine Auflistung über die darzustellenden Messgrößen der Wärmeerzeuger, des Wärmenetzes, des Pufferspeichers und der Kondensationsanlage. Beispielhafte Beurteilung der darzustellende Messgrößen für einen Wärmeerzeuger: (Zur besseren Lesbarkeit eventuell auch auf zwei Diagramme sinnvoll aufgeteilt)
Werte Kommentar / OK aufgezeichnet
Leistungssteller (Soll-Wert)* fehlt
Wärmeleistung (Ist-Wert)* OK
Volumenstrom Kessel fehlt
Kessel-Vorlauftemperatur*, Kessel-Rücklauftemperatur* OK
Kessel-Rücklauftemperatur nach der Anhebung* OK
Rauchgas – Temperatur fehlt
Restsauerstoff fehlt
Außentemperatur* OK
Beurteilung der darzustellenden Messgrößen betreffend Pufferspeicher:
Puffertemperatur 1-5 OK
Beurteilung der darzustellenden Messgrößen betreffend das Wärmenetz:
Vorlauftemperatur, Rücklauftemperatur* OK
Wärmeleistung* OK
Volumenstrom OK
Differenzdruck* OK
Außentemperatur* OK
*diese Parameter müssen jedenfalls im Diagramm dargestellt sein.
Die obige Beurteilung der Datenaufzeichnung wiederspeigelt die sehr oft festgestellte Situation bei Biomasseheizwerken, wo bei nachträglichem Einbau die Visualisierung der Kesselanlagen Mängel aufweist. Insbesondere wird die Einbinung von Verbrennungsparametern, wie Abgastemperatur und Restsauerstoff im Abgas bzw. SOLL Wert des Leistungsstellers, Volumenstrom des Kesselkreises nicht vorgenommen. In diesen Fällen muss eine Online Auswertung an der Anlage erfolgen.
Anlagenkonfiguration, die im weiteren für die Optimierung beschrieben wird:
Kessel 1 1.000 – 1.700 kW
Kessel 2 700 – 1.100 kW
Puffer 70 m³
Kondensationsanlage - nicht vorhanden
Wie sieht nun die Auswertung der Wärme Leistungsanforderungen und die Erstellung eines Leistungsdiagrammes konkret aus?
Wird die Netz Leistungsanforderung aus dem Monitoring auf die Außentemperatur umgelegt, ergibt sich bei der beschriebenen Anlage aus eine Spitzenlast von rd. 3,15 MW bei – 15 °C Normaußentemperatur.
Bild: Visualisierung des Netzbetriebes im Winter
Aus den erfassten Kundenleistungen von 4.600 kW (Kundenliste) ist daraus eine Gleichzeitigkeit von rd. 68 % gegeben. Die Schwachlast stellt die Netzverluste von 170 kW plus Sommer Schwachlast für die Warmwasserbereitung von rd. 80 kW, in Summe rd. 250 kW dar. Die nachfolgende Grafik stellt diese Anforderungen grafisch dar.
Grafik: Leistungsdiagramm des Wärmenetzes
Im Hinblick auf den optimalen Kesselbetrieb ist die Pufferparametrierung in der Übergangszeit (bis 4 Grad Außentemperatur) und im Sommer auf Lastausgleich und im Winter (ab Außentemperatur von rd. 4 Grad) auf Spitzenlast einzustellen. Gleichzeitig kann laut Leistungsdiagramm der Betrieb der Biomassekessel vom kleinen auf den großen Kessel und umgekehrt umgestellt werden. Im Hinblick auf die mögliche Last des großen Kessels (bis 1.7 MW) von der Spitzenlast im Winter von 3,15 MW minus 1,7 MW = 1,45 MW minus 1 MW kleiner Kessel ergibt sich eine Spitzenlasterfordernis von 0,45 MW. Diese Leistung steht bei einem vollen Pufferspeicher bei 30 Kelvin Spreizung 5,5 Stunden zur Verfügung.
Der Einbau des Pufferspeichers von 70 m³ hat im beschriebenen Fall eine wesentliche Verbesserung der Leistungsbereitstellung der Kessel gebracht, da nunmehr mit einem Kessel (Spitzenlast bis 1.700 kW) der Winterbetrieb und mit dem kleinen Kessel die Übergangs- und Sommer- Lastabdeckung gewährleistet ist.
Wann ist eine Umschaltung auf einen anderen Kessel sinnvoll?
Um die erforderliche Pufferladung noch zu gewährleisten, darf die mittlere Tagesleistung die Kesselleistung in Summe nicht übersteigen. Die mittlere Tagesleistung des Netzes betrug im beschriebenen Fall am kältesten Tag im Jahr rd. 2 MW, womit die vollständige Pufferladung durch die Kessel (Leistung in Summe 2,8 MW) gewährleistet bleibt, was auch noch auf die vorhandenen Reserven für weitere Ausbauten hindeutet.
Das bedeutet, dass bei länger anhaltenden tiefen Außentemperaturen ab rd. minus 6 Grad auch beide Kessel in Betrieb stehen. Der optimale Kaskadenbetrieb der Kessel in Anbetracht der optimalen Puffernutzung kann daher wie folgt aussehen (siehe auch Grafik oben):
Sommerbetrieb Netz Tagesspitzen 600 – 800 kW Kessel 2 – 700 - 1100kW
Übergangsbetrieb bis AT + 4 Grad Tagesspitzen 1.500 -1.800 kW Kessel 2 – 700 - 1100 kW das bedeutet, die mittlere Netz-Tagesleistung übersteigt nicht die Kesselleistung von 1.100 kW
Winterbetrieb bis AT + 4 bis – 6 Grad Tagesspitzen 2.100 – 2400 kW Kessel 1 – 1700 kW, das bedeutet, die mittlere Netz-Tagesleistung übersteigt nicht die Kesselleistung von 1.700 kW,
Winterbetrieb ab AT – 6 Grad Tagesspitzen 2.500 – 2850 kW beide Kessel – 1100 + 1700 kW
Im Hinblick auf diese Kaskade wurde im vorhandenen Beispiel beim Winterbetrieb von beiden Kessel auf den großen umgeschaltet. Entsprechend den Netzleistungen hätte bei rd. 5 Grad AUßentemperatur der kleine Kessel genügt, da die mittlere Netzleistung nur mehr 1100 kW betrug und damit gewährleistet wäre, dass der Puffer in Schwachlastzeiten wieder geladen wird. Auch der Parallelbetrieb erfolgte zu lange, da bei besagten Außentemperauren von unter minus 6 Grad der große Kessel genügt hätte.
Was kann in Bezug auf die Parametrierung der Anlage mit den festgestellten Auswertungen ausgesagt werden?
Die Parametrierung der Kesselanlage scheint in Ordnung, da gemäß Kesselauswertung ein stationärer Betrieb (konstante Werte) gegeben ist.
Die Parametrierung des Puffers zeigt eine fast vollständige bzw 2/3 Durchladung des Puffer im Winter, womit zu Tagesspitzen (Morgens, Abends) die zusätzliche Spitzenlast aus dem Puffer abgerufen werden kann, was z.B. am kältesten Tag im Jahr im konkreten Fall (26.2.2018) mit Spitzenlast 3.150 kW bei minus 14 Grad C AT gegeben scheint und der Puffer nur zur Hälfte ausgeladen wird, obwohl beide Kessel ihr Leistungsmaxima erreichen.Das bedeutet, dass die Parametrierung des Puffers in Abhängigkeit der Außentemperatur für den Winter OK ist.
Eine Verbesserung der Kesselmodulation im Hinblick auf die Pufferfunktion als Lastausgleich kann in der Übergangszeit und im Sommer noch optimieren, da aus der Auswertung hervorgeht, dass der Puffer in diesen Phasen nicht optimal nur zu 1/4 ausgeladen wird. Wesentlich ist, dass die Pufferfunktion verbessert wird – Einstellung der Parameter als Funktion eines Lastausgleichspeichers und nicht Spitzenlastspeichers, das heißt, der Puffer muss in der Übergangszeit und im Sommer längere Zeit ausgeladen werden (bis oberes Drittel ausgeladen – oberes Niveua Niveau 2-3 von 7) und fordert den Kessel dann wieder an. Damit kann eine bessere Auslastung und Modulation des Kessels in der Puffernachladephase erfolgen.
Bild: Pufferschichtung
Diese Funktion ist entsprechend der Parametrierung des Puffermanagements in der Regelung vorzunehmen! Laut aktuellen Einstellungen wird das Pufferniveau in Abhängigkeit der Außentemperatur (AT) angegeben (siehe Bild unten), wobei das Niveau 7 (Puffer unten) ab AT 5 Grad gefahren wird. Hier kann als Beispiel eine Einstellung vorgenommen werden, dass bei 10 – 15 Grad Niveau 3 bei 5 -10 Grad Niveau 4, bei 0 – minus 5 Grad Niveau 5 und ab -5 Grad Niveau 7 eingestellt wird. Damit wird gewährleistet, dass der Puffer bei tieferen Außentemperaturen immer geladen zur Spitzenlastabdeckung zur Verfügung steht und in der Übergangszeit und im Sommer bei höheren Aßentemperaturen eine längere Ausladung des Puffers als Lastausgleichsspeicher erfolgt.
Bild: Parametrierung der Pufferladung in Abhängigkeit der Außentemperatur
Wie sieht die Netzregelung (Differenzdruckregelung) und Parametrierung des Netzesbetriebes und der Netzpumpenaus?
Die Parametrierung des Netzes sieht einen Vorlauftemperatur Fußpunkt der Heizkurve von 75°C und eine max. Vorlauftemperatur von 90°vor. Von Montag bis Sonntag sind Erhöhungszeiträume von +4°C im Bereich 4 bis 8 Uhr morgens und von Montag bis Samstag von 16.00 bis 20.00 Uhr vorgesehen. Diese können im Hinblick auf die Pufferfunktion entfallen. Im Hinblick auf die erhöhten Netzverluste ist eine derartige Erhöhung generell zu hinterfragen, da diese Erhöhung in Zeiten ohne Puffer zur Netzpufferung gefahren wurde und aus jetziger Sicht mit Puffer nicht mehr erforderlich ist.
Die Parametrierung der Netzpumpen in der Regelung zeigt folgende eingestellte Rohrnetz Kennlinie.
Aus der Auswertung des Netzbetriebes in der Übergangszeit zeigen sich Differenzdrücke im Heizhaus von 1,5 bis 2 bar wobei diese bei Durchflüssen von rd. 15 bis 30 m³/h auftreten. Diese Differenzdrücke sind im Hinblick auf einen üblichen Wert von rd. 0,6 bis 0,8 bar zu hoch.
Diesbezüglich ist zu hinterfragen, ob ein früheres Umschalten der Netzpumpen von der großen auf eine kleinere eine Verbesserung bringt, da anscheinend in Bereichen der unteren Durchflüsse unter 30 m³/h laut obiger Kennlinie die Drücke überproportional ansteigen. Eine Verbesserung kann die Einstellung der Untergrenze des Frequenzumformers (FU) bringen, da die größere Pumpe bei der Einstellung des Frequenzumformers (FU) auf 25% untere Grenze keine geringeren Durchflüsse mehr zulässt und daher die Differenzdrücke aufgrund zu hohen Pumpendruckes bzw. zu großem Durchfluss ansteigen (strichpunktierte Linie bei 30 m³/h Durchfluss, entspricht der FU Untergfrenze von 25%). Eine Einstellung der Funktion des FU im Bereich der Netzparameter auf Untergrenze 10–12 % (technische untere Grenze) kann hier eine Verbesserung bringen.
Wie sieht der Kessel und Netzbetrieb im Sommer aus?
Die festgestellte Kesselspreizung ist im Sommer sehr gering (nur 5 Kelvin) und kann durch eine Anpassung der Durchflussmenge (Einstellung der Pumpenregelung) beeinflusst werden. Zu überprüfen ist daher die Pumpenregelung des Kesselkreises im Bereich der Durchflussregelung bzw. Mischer-Steuerung.
Die Kesselauslastungen lagen für Kessel 1100 bei 1.900 Vollbenutzungsstunden bzw. einer mittleren Auslastung in der Betriebszeit von 29 %. Bei Kessel 1700 lag die Auslastung bei 2.695 Stunden bzw. im Mittel der Betriebszeit von 53%. Im Gesamten liegt die Auslastung der Kessel bei 27%. Verbesserungen können hier noch in der besseren Einstellung der Kesselmodulation des Kessel 1100 in der Übergangszeit und im Sommer erfolgen, womit die Kesselauslastung durch längeren Puffernachladebetrieb erhöht wird.
Der Netzbetrieb zeigt im Sommerbetrieb bei geforderten 30 Kelvin geringere Spreizungen von nur 15 Kelvin. Die Rücklauftemperatur in den wärmeren Tagen steigt auf bis zu 68° C an. Die Einstellung der Netzregelung wie oben beschrieben kann hier noch Verbesserungen bringen, denn zu hohe Durchflüsse bzw. zu hohe Pumpendrücke im Sommerbetrieb führen zu höheren Rücklauftemperaturen aber auch zu unnötigem Stromverbrauch, da hohe Netzdifferenzdrücke auf diesen zu großen Pumpendruck hinweisen. Diesbezüglich ist zu überprüfen, ob die Durchflüsse der Netzpumpe noch abgesenkt werden können (Stufenregelung, Differenzdruckregelung - siehe vorherige Beurteilung mit Einstellung des Frequenzumformers).
Für weitere Fragen an den Autor: 0664 4318956
