Optimierung von Kesselspeisepumpen

Dec 06, 2023

Eine der wichtigsten internen Energie verbrauchenden Komponenten in einem Wärmekraftwerk ist die Hauptspeisewasserpumpe des Kessels. Seine Hauptfunktion ist die Versorgung des Kessels mit Hochdruckwasser, das Dampf erzeugt. Sein Stromverbrauch trägt zum Gesamtwärmewirkungsgrad und den Betriebskosten der Anlage bei.

Kraftwerksbetreiber können den thermischen Wirkungsgrad der Gesamtanlage um bis zu 0,3 % verbessern, wenn sie das Speisewassersystem optimieren. Das mag trivial klingen, aber bei einem 900-Megawatt-(MW)-Kraftwerk entspricht das einer zusätzlichen elektrischen Leistung von 2,7 MW, die ins Netz eingespeist werden kann. Hier sind empfohlene Vorgehensweisen, um die Möglichkeiten in diesem System zu identifizieren:

Beim Kauf von Kesselspeisepumpen legen Kraftwerksbetreiber und ihre EPC-Berater (Engineering, Procurement and Construction) häufig niedrigere Kapitalkosten über niedrigere Betriebskosten im gesamten Lebenszyklus fest.

Steigende Energiekosten stellen dieses Geschäftsmodell vor Herausforderungen und veranlassen Anlagenbetreiber, Maßnahmen zur Minimierung des Energieverbrauchs von Kesselspeisepumpen in Betracht zu ziehen. Die Neuauslegung einer Hauptkesselspeisewasserpumpe ist ein Großprojekt, das eine gründliche Planung aller Beteiligten erfordert.

Projektdesign-, Engineering- und Implementierungsmethoden zur Pumpenoptimierung sind allgemein bekannt. Die Technologien wurden im letzten halben Jahrhundert getestet und bewährt, aber Kesselspeisepumpen sind auch für Stromerzeugungsprozesse von entscheidender Bedeutung. Wenn sie über einen längeren Zeitraum offline geschaltet werden, der für die Durchführung von Änderungen erforderlich ist, kann die Fähigkeit des Anlagenbetreibers, den Strombedarf und die Produktionsziele zu erfüllen, gefährdet sein.

Um den Projekterfolg sicherzustellen, wird den Anlagenbetreibern empfohlen, die folgenden vier Schlüsselfragen zu stellen, um Möglichkeiten zur Minimierung des Energieverbrauchs zu erlernen und ein Pumpenoptimierungsprojekt erfolgreich durchzuführen.

Diese Frage stellen sich Werksleiter und Verfahrenstechniker häufig.

Durch die Kombination verschiedener Lösungen auf der Ebene des Speisewassersystems kann die Gesamtwärmeeffizienz der Anlage um bis zu 0,3 % verbessert werden. Bei einem 900-MW-Kraftwerk entspricht dies einer zusätzlichen elektrischen Leistung von 2,7 MW, die ins Netz eingespeist werden kann.

Selbst wenn das Potenzial der Kesselspeisewasserpumpe isoliert ist, kann eine geringfügige Änderung des Wirkungsgrads zu erheblichen Einsparungen führen. Dies kann in einem typischen Kraftwerk jedes Jahr Kosteneinsparungen in Höhe von Hunderttausenden oder Millionen Euro oder Dollar bedeuten.

Effizienzsteigerung in der Praxis

Vor einem Jahrzehnt fand ein Projekt zur Optimierung des Designs einer mehrstufigen 30-MW-Kreiselpumpe statt, die zur Versorgung von Kesselspeisewasser installiert wurde. Die komplette Pumpenhydraulik wurde überarbeitet, um den Gesamtwirkungsgrad zu verbessern.

Mithilfe von numerischer Strömungsmechanik (CFD) und maßstabsgetreuen Modellversuchen wurden Änderungen an einzelnen Komponenten vorgenommen, darunter Spiralen, kurze und lange Übergänge, der Saugkasten und der Endauslass.

In einem der American Society of Mechanical Engineers (ASME) vorgelegten Papier wurden Designoptimierungen detailliert beschrieben, die den Gesamtwirkungsgrad der Pumpe um mindestens 3 % steigerten. Jahre später berichtet der Kraftwerksbetreiber immer noch, dass er konstant diesen oder einen besseren Wirkungsgrad erreicht.

Dadurch hat dieses mit Kohle befeuerte, überkritische Kraftwerk in den Niederlanden eine Reduzierung des Stromverbrauchs um etwa 10.200 Megawattstunden (MWh) pro Jahr erreicht – ein geschätzter finanzieller Nutzen von 816.000 € (866.257 $) pro Jahr.

Darüber hinaus führte die Verbesserung der Effizienz der Kesselspeisepumpe zu einer zusätzlichen Reduzierung des Kohlendioxids (CO2) um schätzungsweise 6.120 Tonnen pro Jahr. Dadurch stellte der Kraftwerksbetreiber die Einhaltung gesetzlicher Vorschriften sicher und trieb seine Fortschritte bei der Verwirklichung der Nachhaltigkeitsziele des Unternehmens voran.

Hydraulischer Wirkungsgrad vor und nach der Pumpenoptimierung

Energie: Der größte Kostenfaktor für Pumpen für den kritischen Einsatz

Noch nie gab es ein stärkeres wirtschaftliches Argument für die Optimierung von Kesselspeisepumpen als heute. Die Energiekosten waren in der Vergangenheit so niedrig, dass Kesselspeisepumpen parasitären Strom verbrauchen konnten, ohne dass sich dies negativ auf den Betrieb oder die Finanzleistung auswirkte. Das hat sich aufgrund der steigenden Energiepreise und der Dekarbonisierungsziele geändert.

Darlegung des Business Case für die Pumpenoptimierung

Um ihre Geschäftsziele zu erreichen, möchten Anlagenbetreiber den gesamten von ihnen erzeugten Strom verkaufen. Sie sind außerdem einem Preisdruck ausgesetzt, der ihre Kapital- und Betriebsausgaben belastet. Kesselspeisepumpen haben eine voraussichtliche Lebensdauer von 20 bis 40 Jahren. Bei der Planung und dem Bau von Kraftwerken werden die Pumpen in der Regel zu den geringstmöglichen Vorabkosten für Modelle gekauft, die den heutigen Speisewasserbedarf decken. Diese Parameter können sich im Laufe der Zeit ändern, wenn der Bedarf steigt und Kraftwerksbetreiber aus den tatsächlichen Pumpenleistungsdaten lernen.

Der ursprüngliche Investitionsaufwand ist gering – etwa 6 % – im Vergleich zu den gesamten Lebenszykluskosten einer Kesselspeisepumpe. Allerdings kann die Energie für den Betrieb einer Kesselspeisewasserpumpe bis zu 50 % der gesamten Lebenszykluskosten ausmachen. Alles, was wir tun können, um eine Pumpe neu zu dimensionieren und deren Effizienz zu steigern – selbst in kleinen Schritten –, kann über den langen Lebenszyklus der Anlage schnell zu erheblichen Energiekosteneinsparungen führen.

Der geschätzte typische ROI für ein Projekt zur Optimierung einer Kesselspeisepumpe kann in nur zwei Jahren realisiert werden. Darüber hinaus bieten viele Länder Anreize zur Förderung von Investitionen zur Verbesserung der Energieeffizienz. Einige besteuern auch Kohlenstoffemissionen, was die wirtschaftlichen Argumente für Investitionen in die Optimierung von Kesselspeisepumpen weiter verbessert.

Der Kraftwerksbetreiber des vorherigen Beispiels vermied die technischen Risiken eines Projekts zur Optimierung der Speisewasserpumpe, das die geplante Rückkehr zur vollen Stromproduktion hätte verzögern können. Die Einhaltung des Zeitplans für das Optimierungsprojekt des Kraftwerks erforderte die Wiederverwendung vorhandener Druckbegrenzungen, Lager und mechanischer Dichtungen.

Die vorgenommenen Änderungen in der Rotordynamik, der anfänglichen positiven Nettosaughöhe (NPSHi) und den Axialschubeigenschaften wurden zunächst durch eine Vielzahl von Simulationen validiert, bevor die Kesselspeisepumpe außer Betrieb genommen wurde. Die erwartete Effizienzsteigerung wurde auch durch Änderungen am hydraulischen Design mithilfe skalierter Modellversuche und CFD-Analysen bestätigt. Die Studie und Modellerprobung dauerte ein Jahr. Die Modifikation der Kesselspeisepumpen wurde nach erfolgreichem Abschluss der Studie und Modellversuche genehmigt.

Die abschließende Validierung der Leistung der Kesselspeisepumpe wurde vor Ort mithilfe thermodynamischer Tests durchgeführt.

Bei der Beantwortung dieser Frage sollten Sie nicht zögern.

Der Lieferant der Kesselspeisewasserpumpe muss in der Lage sein, Modernisierungen und Reparaturen innerhalb der geplanten Abschaltung kritischer Anlagen des Kraftwerks durchzuführen. Es gibt weder Zeit noch Budget für Verzögerungen.

Ein Kraftwerk muss die Produktion wieder aufnehmen, um den Energiebedarf der Verbraucher und die Gewinnerwartungen der Aktionäre zu decken. Kraftwerksbetreiber können jedoch die Risiken minimieren, die mit der Außerbetriebnahme einer Kesselspeisepumpe für Modernisierungs- und Reparaturarbeiten verbunden sind. Arbeiten Sie mit einem Anbieter von Fluidbewegungs- und Steuerungssystemen zusammen, der über Ressourcen für Engineering, Herstellung, Tests, Inbetriebnahme und technischen Aftermarket-Support für seine Geräte sowie für Geräte verfügt, die ursprünglich von anderen OEMs geliefert wurden.

Erforderliche Dienstleistungen eines Pumpenoptimierungspartners

Der Optimierungspartner benötigt alle besprochenen Fähigkeiten und Ressourcen, um:

Die Optimierung eines Kesselspeisewassersystems erfordert eine sorgfältige Auswahl der Pumpenhydraulik, um unter Berücksichtigung der optimalen spezifischen Drehzahl den besten Spitzenwirkungsgrad seiner Klasse zu erreichen. Die Minimierung der Drosselung von Kesselregelventilen erfordert eine datengesteuerte Überprüfung der tatsächlichen Systemanforderungen und wie diese durch Drosselung und gegebenenfalls Antriebsstränge mit variabler Geschwindigkeit erfüllt werden. Angesichts der typischen Systemlinie für diesen Service müssen diese Steuerungen anhand des zulässigen Betriebsbereichs einer Pumpe validiert werden.

Es kann auch erforderlich sein, hydraulische und volumetrische Verluste durch verbesserte Konstruktionen und Abstände von Verschleißteilen und Dichtungen zu minimieren.

Pieter Teesink ist der globale technische Leiter des Energy Advantage Program bei Flowserve. Teesink arbeitet seit 12 Jahren bei Flowserve. Er erwarb einen Master-Abschluss in Maschinenbau an der Technischen Universität Eindhoven. Weitere Informationen finden Sie unter flowserve.com.