Worum geht es in diesem Artikel?
Ein BHKW-Modul besteht aus einem Diesel- oder Otto-Motor und einem von diesem angetriebenen Generator. Wesentliche Schritte von der M0ntage des Motors bis zum Betrieb in einem BHKW werden erläutert.
Grundlagen der Motormontage bis zum Betrieb ineinem BHKW
Charakteristisch für ein BHKW-Aggregat ist die möglichst umfassende Nutzung der zugeführten Kraft- oder Brennstoffenergie, so dass neben der aus dem Motorbetrieb resultierende elektrische Leistung des Generators auch die thermische Energie des Motors, die mit dem Kühlwasser, dem Schmieröl, der komprimierten Luft bzw. dem komprimierten Kraftstoff-Luft-Gemisch sowie insbesondere dem Abgasmassenstrom zur Verfügung steht, ausgekoppelt wird.
Ein Motor ist unabhängig von dessen Größe wie auch jede andere technische Anlage/ jedes technische Gerät, mit gleichzeitig festgelegten Betriebswerten konstruiert worden. Dieses fängt damit an, dass für die Konstruktion ein unterer und ein oberer Toleranzgrenzwert für die Neuteil-Abmessungen bspw. der Kolben, der Grund- und Pleuelzapfen der Kurbelwelle, den unteren und oberen Laufbuchseneinpass, die Fluchtung der Grundlagerstühle zueinander wie auch viele andere konstruktive Abmessungen der Bauteile, die montiert einen ordnungsgemäß funktionierenden Motor ergeben, festgelegt sind. Hierzu bestehen dann auch im Werk des Herstellers Vorgaben zur Montage. Bei der Montage wird u.a. dokumentiert, mit welchen Drehmomenten/ Verdrehwinkeln oder, bei hydraulischen Werkzeugen, welchem Druck Schraubenverbindungen hergestellt wurden. Auch Lagerspiele werden gemessen und dokumentiert.
Neben den einzelnen Qualitätskontrollen der Bauteile erfolgt eine erste Zwischenprüfung mit dem Abdrücken des Kühlwassersraumes, wenn die Laufbuchsen in das Kurbelgehäuse eingesetzt worden sind. Dazu wird der Kühlwasserraum im Kurbelgehäuse verschlossen, vollständig mit Wasser gefüllt und einer statischen Druckprobe mit dem 1,5-fachen maximalen Arbeitsdruck unterzogen, um die Dichtigkeit an den Laufbuchseneinpässen festzustellen. Sollte die Dichtigkeit bereits in diesem Stadium der Montage aus irgendeinem Grund nicht gegeben sein, ist eine Kontrolle bzw. Überprüfung an einer Zylinderstation mit geringem Aufwand möglich. Bei einem bereits vollständig montierten Motor müsste dieser wieder demontiert werden.
So wird die Montage des Motors fortgesetzt, bis dieser vollständig montiert worden ist. Auf einem Prüfstand wird der Motor eingefahren und erprobt. Das Einfahr- wie auch das Erprobungsprogramm sind spezifisch für einen Motor erstellt worden. Bei dieser Erprobung erfolgt die Dokumentation der erreichten Betriebswerte im Prüfstandsprotokoll.
Letztlich wird abschließend bei diesem Prüflauf festgestellt, dass der Motor seine Spezifikation erfüllt. Dann erfolgt das Konservieren, außen mit einer Farbschicht und innen mit entsprechenden Ölen und Frischkühlwasserzusätzen, so dass der Motor ausgeliefert werden kann.
Zusammen mit dem Motor wird dann selbstverständlich auch die Dokumentation, in der u.a. der Wartungsplan enthalten ist, ausgeliefert. Er ist unter Berücksichtigung üblicher spezifischer Belastungen und einer üblichen Betriebsführung aufgestellt worden und einzuhalten. Der Generator wird nach den gleichen Grundsätzen montiert, eingefahren und erprobt.
In der Schifffahrt unterliegen die in Seeschiffe eingebauten Motoren besonderen Anforderungen, die von der Klassifikationsgesellschaft in jeweils eigenen Vorschriften formuliert werden. Die Klassifikationsgesellschaft hat bereits bei der Konstruktion des Motors die Konstruktionsunterlagen geprüft. Auch an Bord eines Schiffes wird die thermische Energie des Motors wie bei einem BHKW ausgekoppelt.
Bei der Herstellung der einzelnen Bauteile, beispielsweise der Kurbelwelle, wird die einzelne Kurbelwelle dann aber auch von einem Besichtiger der Klassifikationsgesellschaft geprüft und abgenommen, d.h., dass für jede Kurbelwelle wie auch für jedes einzelne andere Bauteil eine Abnahme erfolgt und ein Zeugnis ausgestellt wird. Dieses Zeugnis wird vom Hersteller einer Kurbelwelle zusammen mit dieser Kurbelwelle zum Motorenhersteller geschickt und bei der Montage des Motors dem Besichtiger, der die Montage des Motors begleitet, übergeben. Der letztgenannte Besichtiger ist dann auch beim Prüflauf anwesend, um diesen ordnungsgemäß zu dokumentieren und ein Klassifikationszeugnis für den einzelnen Motor auszustellen. Dieses geht mit dem Motor im nächsten Schritt an die Werft, auf der der Motor in das Schiff eingebaut wird. Beim Bau des Schiffes sind ebenfalls Besichtiger vor Ort tätig. Das stellt eine vollständige Qualitätskontrolle einer dritten Partei dar.
Der Motor, der in ein BHKW eingebaut werden soll, wird an den Hersteller eines Moduls, den Packager, geliefert, der diesen zusammen mit einem Generator, einer Kupplung, einem Grundrahmen und der Steuerung sowie ggf. weiteren Komponenten zusammenbaut und als „sein Modul“ in Verkehr bringt.
Auch zu diesem Modul liegen Zeichnungen mit darin enthaltenen Vorgaben vor. Während der Montage wird wiederum ein Montagebericht erstellt. Und das Aggregat wird nach dieser Montage einem Prüflauf unterzogen, um zu demonstrieren, dass dieses ordnungsgemäß montiert wurde und dass die in der Spezifikation genannten Betriebswerte eingehalten werden. Dieses geschieht im Werk des Modulherstellers.
Bei dem Prüflauf des Moduls wird die elektrische Leistung des Generators und damit die des Moduls gemessen und dokumentiert, die Leistung des Motors wird nicht mehr gemessen. Beide Werte, die mechanische Motorleistung und die elektrische Leistung des Moduls, unterscheiden sich aufgrund des Generatorwirkungsgrades, der mit 0,95 oder 0,96 angesetzt werden kann.
Dieses Modul wird mit der zum Modul gehörenden Spezifikation und dem Protokoll des Prüflaufs ausgeliefert und in ein Kraftwerksgebäude eingebracht. Kraftwerksgebäude eines Blockheizkraftwerkes sind unterschiedlich gestaltet. Es können gebaute Gebäude sein, in denen ein Raum für ein oder auch mehrere nebeneinanderstehende Module vorhanden ist. Es kann auch ein Container sein, in dem die weiteren Nebenaggregate, die zum Betrieb eines BHKW-Moduls erforderlich sind, enthalten sind, so dass der Container anschließend zum Ort, an dem das Modul betrieben werden soll, transportiert wird.
Der Umfang der Nutzung dieser Abwärme hängt entscheidend von der Verbraucherstruktur ab. Hierauf hat der Hersteller des Moduls keinen Einfluss. Die Optimierung dieser Abwärmenutzung ist bei der Auslegung eines BHKW-Aggregates unter Berücksichtigung der Verbraucherstruktur zu erreichen.
Die Abwärmenutzung kann z.B. auf einer Biogasanlage darin liegen,
- die Stallgebäude für die Tierhaltung zu heizen,
- die Fermenter, in denen die zugeführten Abfallstoffe vergoren werden und das Gas erzeugt wird, zu beheizen,
- Kaminholz zu trocknen,
- Wohngebäude zu heizen oder auch
- die Nahwärmeversorgung eines Wohnquartiers vorzunehmen, bei der beispielsweise auch ein Schwimmbad beheizt wird.
Ein großes BHKW ist beispielsweise in Kiel als altersbedingter Ersatz für ein Kohlekraftwerk aufgebaut worden. Hierin sind 20 Motoren mit einer Leistung von nahezu 10 MWel je Modul zusammen mit einem großen Wärmespeicher aufgebaut worden (siehe hierzu: www.stadtwerke-kiel.de/ueber-uns/kuestenkraftwerk).
Das Auskoppeln der thermischen Energie erfordert die vorherige Auslegung und die ordentliche Montage u.a. von Wärmeübertragern, Pumpen, Rohrleitungen und Armaturen. Ein anspruchsvolles Bauteil ist der Abgaswärmeübertrager. In diesem bilden sich Ablagerungen, die schrittweise zu einem Zusetzen der Rauchgasrohre führen. Damit nimmt der Abgasgegendruck am Abgasaustritt der Turbine des Abgasturboladers zu. Der maximal zulässige Abgasgegendruck ist ein vom Motorenhersteller festgelegter Grenzwert bei Motor-Nennleistung. Sollte dieser überschritten werden, wird der Ladungswechsel in den Zylindern beeinträchtigt und die Bauteiltemperaturen insbesondere der Turbine des Abgasturboladers sowie der Zylinderköpfe nehmen zu.
Die Abgasleitung vom Motor bis zum Austritt des Abgases in die Umgebung ist auszulegen und der Abgasgegendruck ist bei der Inbetriebnahme des Aggregates zu messen. Dieses kann naturgemäß nicht bereits auf dem Prüfstand des Modulherstellers erfolgt sein. Der Abgasgegendruck muss bei Motor-Nennleistung ausreichend unterhalb des maximal zulässigen Abgasgegendrucks liegen, da dieser während des Aggregatebetriebes ohnehin stets zunimmt, der Abgaswärmeübertrager ist wiederkehrend rauchgasseitig zu reinigen.
Bei Containeranlagen ist der Abgasgegendruck in der Regel nicht kritisch, da die Abgasleitung nur kurz ist und das Abgas unmittelbar oberhalb des Containers in die Umgebung austritt. Insbesondere aber bei im Keller eines Gebäudes eingebrachten Modulen ist die Abgasführung bis zum Dach des Gebäudes anspruchsvoll. Auch Abgasschalldämpfer und Katalysatoren sind zu berücksichtigen. Der Verlauf der Abgasleitung kann zahlreiche Umlenkungen des Abgasmassenstromes erfordern. Und mit jedem Rohrbogen ist ein Anstieg des Abgasgegendrucks verbunden, der dann aufsummiert zu einem entsprechend hohen und bereits im Neuzustand des Aggregates anstehenden Abgasgegendruck führt.
Die Ausführungen zum Abgas sind entsprechend auch auf den Kühlkreislauf anzuwenden, um sicherzustellen, dass der Kühlwasserdruck vor dem Motor ausreichend hoch ist und die Temperaturen zwischen dem Eintritt in den Motor und dem Austritt aus dem Motor den Vorgaben des Motorenherstellers entsprechen.
Das BHKW-Aggregat muss mit einem Prüflauf bei der Erst-Inbetriebnahme erprobt werden, um sicherzustellen, dass nun auch im eingebauten Zustand die Betriebswerte des Moduls gemäß Spezifikation erreicht werden und dass die Auslegung des Motors auch hier den Vorgaben des Herstellers entspricht. Dazu gehören u.a. auch das Schmieröl und der Kühlwasserzusatz. Beides muss vom Motorenhersteller freigegeben worden sein. Beim Abgaswärmeübertrager ist die Qualität des auf der Sekundärseite fließenden Heizwassers von entscheidender Bedeutung. Weiterhin muss auch für die Nebenaggregate das Einhalten der jeweiligen Spezifikation festgestellt werden.
Zur Inbetriebnahme gehört auch, dass vor dem Abnahmelauf des Aggregates die Sensoren, mit denen Temperaturen und Druckwerte aufgenommen/gemessen werden, zusammen mit der Messwertverarbeitungsanlage bis zum Display/bis zur Anzeige am Aggregateschaltschrank überprüft werden. Das bedeutet für Drucksensoren, dass diese an ein Prüfgerät angeschlossen werden, mit dem am Sensor ein vorgegebener Druck aufgebracht wird, um diesen Wert mit der Anzeige im Display zu vergleichen. Beide Werte müssen übereinstimmen.
Bei Temperaturmessungen müssen hierzu die Sensoren aus dem jeweiligen Rohr herausgenommen und im an die Steuerung angeschlossenen Zustand in einem Behälter mit sich erwärmendem Wasser überprüft werden. Neben diesem Sensor befindet sich ein weiteres kalibriertes Thermometer in dem Wasser, so dass die Anzeige im Display mit der Anzeige auf dem zweiten Thermometer verglichen werden kann. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass die im Display der Steuerung angezeigten Werte die tatsächlich ordnungsgemäß gemessenen Werte sind.
Um die sichere Betriebsweise nach der Inbetriebnahme sicherzustellen, das Aggregat wird im Automatikbetrieb unbeaufsichtigt betrieben, müssen die Warn- bzw. Alarmgrenzwerte korrekt eingestellt und dokumentiert werden, so dass die Steuerung des Aggregates bei unvorhergesehenen kritischen Zuständen das Aggregat ggf. abschaltet, um größere Schäden zu vermeiden. Während des Betriebes sind sporadische, mindestens aber ein Kontrollgang pro Tag um das Aggregat erforderlich.
Mit dem Abnahmeprotokoll zur Erst-Inbetriebnahme, zu dem dann auch die Prüfprotokolle des Moduls sowie das Abnahmeprotokoll des Motors vorliegen, wird das Aggregat übergeben und die Gewährleistungszeit beginnt. Es ist nicht nur die Gewährleistungszeit des Packagers, der das Modul eingebracht hat. Mit dem Übersenden des Erst-Inbetriebnahmeprotokolls u.a. an den Motorenhersteller beginnt üblicherweise auch die Gewährleistungszeit, die dieser auf sein Produkt gibt.
Mit diesem Abnahmeprotokoll liegen die Betriebswerte im Neuzustand des Aggregates, also im sauberen Zustand, vor. Damit können jeweils zu einem späteren Zeitpunkt die dann aufgenommenen Betriebswerte verglichen werden, um den Verschleißzustand des Aggregates zu bewerten.
Wenn dieses Abnahmeprotokoll nicht vorliegt, ist es schwierig bis unmöglich, Betriebswerte, die nach mehreren tausend Betriebsstunden gemessen und dokumentiert wurden, einzuordnen, um die Frage zu beantworten: Ist während des Betriebes eine betriebsbedingte Veränderung erfolgt oder haben diese Betriebswerte bereits zur Erst-Inbetriebnahme außerhalb der Spezifikation gelegen?
Für den Inhalt verantwortlicher Autor:
Sie sehen gerade einen Platzhalterinhalt von Instagram. Um auf den eigentlichen Inhalt zuzugreifen, klicken Sie auf die Schaltfläche unten. Bitte beachten Sie, dass dabei Daten an Drittanbieter weitergegeben werden.
Mehr Informationen