Explosionsgeschützte Chromatographie-Systeme
für die Brenngasanalyse in Gasturbinen-Kraftwerken
von Helmut Schulz und Wolfgang Möller
Zur Gewährleistung eines effizienten und zuverlässigen Turbinenbetriebs wird in Gasturbinen-Kraftwerken das angelieferte Brenngas fortlaufend auf seinen Energieinhalt analysiert. Dazu dienen Prozess-Gaschromatographen samt geeigneter Software zur Ermittlung einschlägiger Kennwerte. Das Medium bringt es mit sich, dass diese Analysentechnik im explosionsgefährdeten Bereich betrieben wird. R. STAHL stattete anschlussfertige Analysestationen auf Basis der Chromatographen-Typen MAXUM II und Micro- SAM von Siemens mit explosionsgeschützten elektrischen Betriebsmitteln aus. Gasturbinen-Kraftwerke können mit Brennstoffen unterschiedlicher Herkunft und Qualität betrieben werden, erzeugen Strom und Wärme mit hohem Gesamtwirkungsgrad und produzieren relativ geringe Schadstoff-Emissionen. Sie sind innerhalb weniger Minuten betriebsbereit, benötigen weder Kühltürme noch Anlagen zur Rauchgasreinigung und sind kostengünstiger und schneller zu errichten als Dampfkraftwerke. In einem mehrstufigen Prozess wird in Gas-Kraftwerken der Energieinhalt der Brenngase in Strom umgewandelt. Kumuliert über alle Stufen werden etwa 80 Prozent der Primärenergie genutzt. Optimal lassen sich die Turbinen nur betreiben, wenn die Qualität des eingesetzten Brenngases exakt bestimmt werden kann. Bevorzugtes Brenngas ist Erdgas, wobei unter dieser Bezeichnung sehr verschiedene Qualitäten auftreten können. Unterschiede bestehen bereits in Abhängigkeit von der Förderstelle und werden zusätzlich durch Vermischen oder Verdünnen während des Transports und bei der Endverteilung verursacht. Vor Verwendung im Kraftwerk ist das vom Versorger gelieferte Gas deshalb vor Ort auf seine chemische Zusammensetzung und seinen Energieinhalt zu analysieren. Die in diesem Umfeld eingesetzte Messtechnik muss explosionsgeschützt ausgelegt sein.
- Bild 1: Brenngasüberwachung gleich zu Beginn des Prozesses – in Gasturbinen-Kraftwerken werden explosionsgeschützte Analysensysteme eingesetzt
Qualitäts- und Sicherheitskontrolle
Spezielle Gaschromatographen ermitteln die Zusammensetzung des Gases und daraus die Qualitätskenngrößen Brennwert, Normdichte, Wobbe-Index, Kompressibilitätszahl und Kohlenwasserstofftaupunkt über festgelegte Rechenverfahren. Gase mit gleichem Wobbe-Index, dem wichtigsten dieser Werte, haben bei gleichem Druck auch den gleichen Energieinhalt. Zusätzlich zur Konzentration diverser in der ISO 6974: Natural gas – Deternination of composition with defined uncertainty by gas chromatography (Erdgas – Bestimmung der Zusammensetzung mit definierter Unsicherheit durch Gaschromatographie) festgelegter Komponenten und der gemäß der ISO 6976: Natural gas – Calculation of calorific values, density and Wobbe index from composition (Erdgas – Berechnung von Brenn- und Heizwert, Dichte, relativer Dichte und Wobbe-Index aus der Zusammensetzung) abgeleiteten Größen werden häufig noch weitere Werte ermittelt. Von Interesse sind vor allem die Konzentrationen von Stickstoff – als Indikator für Verdünnungseffekte – sowie von Schwefelwasserstoff H2S als kritische Komponente bezüglich Turbinenbeschädigung und Schadstoffemission. Insbesondere die Überwachung der H2S-Konzentration ist von großer wirtschaftlicher Bedeutung: Viele Gase enthalten H2S (Schwefelwasserstoff) als Verunreinigung. Gelangt diese Komponente in die Turbinen, so besteht die Gefahr des Niederschlags von Schwefel-Kristallen auf den Turbinenschaufeln. Dies kann zu Unwuchten und damit zu Betriebsstörungen oder Beschädigungen führen. Der dadurch möglicherweise entstehende finanzielle Schaden steht in keinem Verhältnis zum Aufwand für eine entsprechende Schutzmessung.
- Bild 2: Kernbestandteil der Brenngas-Analysensysteme ist der explosionsgeschützte Analysator und die explosionsgeschützte Steuerung in der Bildmitte
- Bild 3: Zur ergänzenden Ausstattung zählen auch explosionsgeschützte Leuchten Typ EXLUX 6000 (hier links am grauen Schrank montiert)
Anschlussfertige Analysenstationen Brenngas-Analysenstationen gehören deshalb heute zur Standardbestückung von Gas-Kraftwerken. Dabei sind die Analysenstationen in der Regel Teil des Brennstoff-Einspeiseblocks, der innerhalb des Kraftwerkes eine weitgehend eigenständige Komponente darstellt (Bild 1). Siemens stellt mit den Typen MicroSAM und MAXUM II zwei Prozess-Gaschromatographen her, die über eine zur Durchführung der Brennwertberechnung befähigte spezielle Software verfügen. Besonderheit des MicroSAM ist seine extrem kompakte Bauform, während der MAXUM II den Vorteil eines erweiterten Funktionsumfangs bietet: Dieser Chromatograph ermöglicht auch die erwähnte H2S-Bestimmung. Beide Typen arbeiten mit ventilloser Dosier- und Säulenschalttechnik. Diese ermöglicht äußerst exakte Resultate beim Nachweis kleinster Konzentrationen sowie hohe Langzeitstabilität und Zuverlässigkeit. Ihre Funktionsweise basiert auf einer Druckdifferenz, die von elektronischen Präzisionsdruckreglern gesteuert wird. Dadurch erübrigt sich die Wartung der Säulenschaltung, die Trennleistung wird gesteigert, und komplizierte Trennvorgänge werden stark vereinfacht. Die von den Chromatographen gelieferten Ergebnisse werden in den Flow-Computer des Anlagenbetreibers eingespeist. Siemens Process Analytics hat in enger Abstimmung mit Siemens Power Generation unter Einsatz dieser Chromatographen zwei kompakt aufgebaute Analysenstationen entwickelt und im Rahmen von zwei Projekten nach Asien geliefert.
Explosionsgeschützte Auslegung
Die Besonderheit der Analysestationen besteht in ihrer bereits werksseitig realisierten, anschlussfertigen Komplettmontage explosionsgeschützter Ausführung gemäß der ATEX-Richtlinie 94/9/EG auf einem einzigen Gestell. Vor Ort müssen nur noch die Anschlüsse für Energiezuführung, Datenkommunikation sowie Zu- und Abführung von Proben- und Trägergas angebracht werden – Montage, Installation und Verkabelung von Einzelkomponenten entfallen vollständig. Eine gemeinsame Abnahme bereits im Werk gewährleistet darüber hinaus eine zügige und störungsfreie Inbetriebnahme beim Endkunden. Der MAXUM II ist in einem Schutzschrank mit überwachter Innentemperatur und automatischer Belüftung montiert. In das Leitsystem ist dieses Analysesystem via Modbus sowie Analog- und Digitalausgaben eingebunden. Der MicroSAM wurde in einem beheizten, nach vorne zu öffnenden Wetterschutzgehäuse untergebracht. Der Chromatograph selbst ist druckfest gekapselt. Bei dieser Messstation stellt ein Network Access Unit (NAU) die Integration ins Leitsystem sicher.
Ein elementarer Baustein zum Aufbau dieser schlüsselfertigen Lösung ist der ›Ex-Anschluss‹ – eine Steuerung der Baureihe 8146 von R. STAHL mit Gehäusen aus glasfaserverstärktem Polyesterharz, die speziell auf höhere Umgebungstemperaturen projektiert und optimiert wurde (Bild 2). Die Steuerung ist mit Netzteil, Schaltverstärker, Relaisbausteinen, Anschlussklemmen für den Endkunden und weiteren Komponenten bestückt. Teil der Ausstattung sind daneben eine Reihe kleinerer 8146-Klemmenkästen, die in acht Größen mit jeweils unterschiedlichen Gehäusehöhen erhältlich sind und grundsätzlich auftragsspezifisch ausgelegt werden. Hinzu kommen Befehlsschalter aus dem 8040-Programm sowie explosionsgeschützte Leuchten von R. STAHL (Bild 3). Bei beiden Chromatographen-Typen sorgt eine Fuß-Beheizung der Kalibriergasflasche für die ständige Durchmischung des Kalibriergases, was Messunsicherheiten weiter minimiert.
Fazit
Die Analysestationen wurden in kürzester Zeit und ohne Probleme installiert und in Betrieb genommen. Seither liefern die Messstationen zuverlässig die gewünschten Informationen. Die schlüsselfertige Komplettlösung für den Einsatz in gasexplosionsgefährdeten Kraftwerksbereichen setzte ein sorgfältig abgestimmtes Engineering voraus, um die Messtechnik mit passender explosionsgeschützter elektrischer Ausrüstung zu kombinieren. Mit R. STAHL stand bei der Auslegung der Analysestationen ein Partner zur Verfügung, der alle erforderlichen Komponenten samt unterstützendem Projektierungs-Know-how aus einer Hand liefern konnte.
Wie gut ist das Gas?
Chromatographen ermitteln in Gaskraftwerken eine Reihe von Kenngrößen, die sowohl als Grundlage für den optimalen Betrieb als auch für die Abrechnung des gelieferten Brenngases herangezogen werden. Der Brennwert (Superior Calorific Value) eines Brennstoffes ist die Wärmemenge, die bei seiner Verbrennung unter Standardbedingungen von Temperatur und Druck freigesetzt wird, einschließlich der Wärmemenge, die in den dabei entstehenden feuchten Abgasen gebunden ist und durch Kondensation rückgewonnen werden kann. Der Heizwert (Inferior Calorific Value) eines Brennstoffes ist die bei seiner Verbrennung freigesetzte Wärmemenge ohne Berücksichtigung der im Abgas gebundenen Wärmemenge. British Thermal Unit (BTU) ist eine in bestimmten Branchen gebräuchliche Energieeinheit. Sie wird parallel zur Einheit Joule (J) verwendet, mit der Umrechnung 1 BTU = 1055,06 J. Der Wobbe-Index eines Gases ist die wichtigste Kenngröße für die Vergleichbarkeit von Brenngasen und findet sich häufig in den Spezifikationen von Gaslieferungen. Der Wobbe-Index ist der Brennwert dividiert durch die Wurzel aus der Dichte des Gases und wird in BTU pro Kubikfuß oder in Megajoule pro Kubikmeter ausgedrückt. Zwei Gase mit gleichen Wobbe-Indizes verfügen bei gleichem Druck über gleiche Energieinhalte. Für Erdgas beträgt der typische Brennwert etwa 1,050 BTU pro Kubikfuß und die Dichte etwa 0,59, was für den Wobbe-Index einen typischen Wert von 1,367 ergibt.