WS.PEMS - prædikativt emissions-monitoreringssystem til bl.a. gasturbiner Weel & Sandvig har installeret Prædikative Emissions Monitoreringssystemer (PEMS) på gasturbiner siden 1998. Den første vi installerede online var på et industrielt kraftvarmeværk og den blev af myndighederne godkendt til at dokumentere emissioner. Skærmbillede af WS.PEMS med trendkurver af de estimerede emissionsniveauer. Side 1
For at gasturbiner kan opnå høje virkningsgrader arbejder de med høje temperaturer, som kræver tæt kontrol og styring for at reducere risikoen for fejl og havarier og forøgede vedligeholdelsesudgifter. Derfor er moderne gasturbineanlæg for det meste forsynet med et omfattende sensor-kontrolsystem. Det basale koncept i WS.PEMS er at udnytte dette registreringssystem til at skaffe data om visse centrale driftstilstande inde i gasturbinen og på basis af en termodynamisk beskrivelse (model) af gasturbinen kan en række ikke målte fysiske størrelser beregnes herunder emissioner frem for at måle emissionerne kontinuert (CEMS). Estimering af emissionsniveauer er muligt hvis man kombinere: Data tilgængelige fra standardinstallerede sensorer på moderne gasturbiner. Fysisk indsigt og reaktionskinetik. Statiske metoder på testmålinger. Fordele Weel & Sandvig tilbyder et prediktivt emissionsmoniteringssystem som har adskillige fordele i forhold til et kontinuert målesystem eller gentagne kontrolmålinger: Når det først er installeret og justeret ind til den konkrete gasturbineinstallation er der ikke noget behov for efterkalibrering, vedligehold eller fornyelse af dele. WS.PEMS er betydeligt billigere end et kontinuert emissionsmoniteringssystem hvad angår udgifter forbundet med hver enkel af følgende poster: - udstyr - installation - vedligehold - drift Der er ikke noget behov for udstyr (som eksempelvis sensorer i røggassystemet) undtagen oprettelse af en dataforbindelse med det eksisterende kontrolsystem. Emissioner kan altid beregnes hvis nøgleparametre er blevet logget og gemt. Det er således ikke afgørende at den PC som emissionsmoniteringssystemet er installeret på er ude af drift i en periode eller ved et uheld er blevet slukket. Alt afhængig af tilgængelige data og graden af overbestemthed i systemet, kan Datagenkendelse afsløre uoverensstemmelse mellem registrerede værdier fra sensorer og derved indikere at der er fejl på een eller flere sensorer. Installationen er let og kompakt som gør den særdeles fordelagtig i off-shore installationer. En nærliggende valgmulighed er at udvide WS.PEMS med Performance monitoring (PM) som er et værdifuldt værktøj til at sikre at driften forløber optimal og effektivt på gasturbinen. Side 2
Skærmbilleder fra WS:.GT-PEMS: Procesværdier ses her sammen med temperaturprofilet af røggas (billede til venstre). Kompressormap en (ses på billedet til højre) hvor driftspunkter løbende under driften plottes ind. Installation, dataforbindelse og verifikation WS.PEMS er typisk installeret på en separat PC som kommunikerer med det eksisterende kontrolsystem. Flere gasturbiner kan forbindes og køre på den samme WS.PEMS. Dataoverførsel mellem gasturbinens regulatorer og moniteringssystemet kan være en direkte seriel forbindelse (fx. ved at bruge modbuss protokol) eller via DCS (distributed control system) det være sig OPC, ABB, Rockwell eller andre. Efter en installation gennemføres en grundig test. De faktiske emissioner måles her og sammenholdes med de emissionsniveauer som forudsiges af WS.PEMS. Resultaterne har været meget overbevisende. Ved enhver normal driftsform er de estimerede emissioner indenfor en maksimal afvigelse på 1 til 2% af de målte værdier. Selv i meget atypiske driftspunkter (fx. halv last eller mindre) er nøjagtigheden høj med en maksimal afvigelse på omkring 10%. Metode WS.PEMS estimerer emissioner af CO, NOx og uforbrændte kulbrinter (UHC) ved at benytte allerede installerede sensorer og regulatorer på gasturbinen. Estimaterne på emissionerne beregnes på en Semi-analytisk metode der er baseret på first principles modellering der beskriver masse- og energibalancer og de termokinetiske reaktioner i gasturbinen. Modellen tunes på en række parametre i forhold til den konkrete gasturbineinstallation. Side 3
Eksempel på målte og estimerede emissioner af NOx. Referencer Weel & Sandvig har indtil nu WS.PEMS installationer kørende i Danmark på: Roulunds Fabriker A/S Cheminova A/S (3) NovoNordisk A/S Kontakt For nærmere information og spørgsmål kontakt: Side 4
Datagenkendelse Eftersom de fleste sensorer er udsat for drift eller forringet målenøjagtighed er det nødvendigt fra tid til anden at kalibrere sensorer. Selv om sensorer kalibreres jævnligt er der i WS.PEMS inkluderet et ekstra modul som forbedre nøjagtigheden på målinger datagenkendelse. Derved opnås større sikkerhed for at gasturbinen kører pålideligt. I overbestemte systemer udfører WS.PEMS datagenkendelse for at sikre at målinger er i overensstemmelse med de opstillede masse- og energibalancer. Målte procesværdier testes mod procesmodellen og et nyt sæt af korrigerede procesdata frembringes. Datagenkendelse indbefatter et optimeringsproblem hvor objektfunktionen er en sum af kvadrater på afvigelser mellem målte og estimerede parametre (normaliseret og vægtet). Sættet af estimerede værdier som kan opfylde masse- og energibalancerne med en mindste værdi af objektfunktionen bruges i den efterfølgende beregning af NO X emission. Performance monitoring (PM) En naturlig udvidelse af WS.PEMS er et performance moniteringssystem. Med et sådant system foretages en udvidet analyse på data for at kontrollere betingelserne i de enkelte delkomponenter. PM systemet er i stand til at opdage afvigelser mellem registrerede virkningsgrader og de forventede og giver information om optimale bl.a. vaskecyklus, udskiftning af filtre. Parallelt med et PEMS system udfører PM systemet varme og massebalancer, data genkendelse og beregning af mistet kraftpotentiale som følge af forringet performance. Især datagenkendelsen er vigtig idet disse beregninger giver et godt billede af målenøjagtigheden. Typisk opsamles data hvert minut med efterfølgende beregning af emissioner og performance. De ret hyppigt forekommende beregningsresultater vises på skærm og gemmes typisk i 5 til 10 dage, mens halvtimeværdier gemmes for langtidsdokumentation. Procesdata og beregnede data gemmes i en database. Side 5
Process plant Gas turbine Measurements Input Surrounding conditions. Economics. Uncertainties Component conditions Other uncertainties Simulator input variable Process simulator Data reconciliation (Chi Square) Reject out of bound measurements Calculate reconciled process values based on principal energy and mass balances Simulator output variable Principdiagram over et kombineret PM og PEMS system. Performance calculations Results Measured performance Reconciled performance Expected performance Validated data Optimum washing schedule Optimum filter replacement Predicted NOx Semi-analytisk metode Metoden der anvendes i WS.PEMS er semi-analytisk, hvilket vil sige at mekanismerne i reaktionskinetikken beregnes relativt og giver dermed relative emissionsniveauer. De endelige estimerede emissionsniveauer findes ved at korrigere de beregnede relative emissionsniveauer i forhold til målte absolutte emissioner under kendte forhold. Damp Luft Damp Luft Damp Brændsel Luft Primær zone Sekundæ rzone Udbrændings zone Indløb til turbine Forbrændingskammeret er modelleret i reaktionszoner som illustreret. Størstedelen af NO X dannes i den primære zone hvor den mest betydningsfulde parameter er flammefrontens temperatur. I den sekundære zone og udbrændingszonen køles flammen ved tilførsel af damp og luft før gassen løber ind i turbinens indløbszone for at sikre en lav dannelse af NO X. Forbrændingsbetingelserne i gasturbinen beregnes på baggrund af data som er tilgængelige fra gasturbinens PLC. Typisk er de fleste af følgende størrelser tilgængelige: Brændsels flowrate, tryk og temperatur Side 6
Dampens flowrate, tryk og temperatur Indløbsbetingelser på forbrændingsluften i form af tryk, temperatur og fugtighed Tryk og temperatur ved udløbet af gasturbinens kompressor Gasturbinens eleffekt på terminaler Gasturbinens udløbstemperatur på røggas Gasturbinens omløbshastighed Gasturbinens kontroltilstand WS.PEMS udnytter disse størrelser som inddata til beregning af de faktiske tilstande der er gældende i de forskellige zoner og interne processer hvilket giver den nødvendige information for beregning af NO X dannelsen. Der korreleres i forhold til variationer i: den adiabatiske flammetemperatur, tryk i forbrændingszonen, opholdstid i forbrændingszonen. De faktiske tilstandsforhold er blandt andet afledt af varme- og massebalancer i alle reaktionszoner. Den samlede model behøver kun justering (tuningsparametre) på få størrelser for at tilpasses et konkret forbrændingskammer på en gasturbine. Side 7