Der Betreiber von Kleefse Ward hat ein ehrgeiziges Ziel: Er will den niederländischen Industriekomplex zum umweltfreundlichsten der Niederlande machen. Vor diesem Hintergrund wurde das Unternehmen Stork Thermeq, ein Lösungsanbieter für Dampferzeugung und Wärmerückgewinnung, mit dem Neubau eines Biomasseheizkraftwerks (BMHKW) beauftragt. Es soll nachhaltig produzierte Wärme und Strom an die Unternehmen des Industrieparks liefern und über das Fernwärmenetz auch Haushalte der Stadt Arnheim versorgen.
Dabei wird in einer Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) gleichzeitig Strom und Wärme produziert. Die Anlage ist nach dem nationalen Kraft-Wärme-Kopplungsgesetz (KWKG) grundsätzlich finanziell förderwürdig. Zudem werden die erzeugte Wärme und Elektrizität per Einspeisevergütung bezuschusst.
Konkrete Messaufgabe
Stork Thermeq hat die bestehende Kesselanlage nach dem neuesten Stand der Technik auf Biomassebetrieb umgestellt. Durch den hohen Bedarf an Dampf für das Fernwärmenetz ist das KWK mit Gegendruckturbinen ausgestattet.
Der vom Biomassedampfkessel erzeugte Hochdruckdampfstrom wird dabei in zwei Ströme aufgeteilt: Einer geht direkt an die Unternehmen des Industrieparks, der andere wird über die Gegendruckturbine zur Stromerzeugung genutzt. Die Restwärme des Niederdruckdampfes aus der Turbine wird im Fernwärmenetz weiterverwendet.
Messtechnisch muss die Anlage so ausgelegt sein, dass der Betreiber den Prozessdampf an die Abnehmer des Industrieparks weiterberechnen kann. Zudem ist die produzierte Energie aus Strom und Dampf nachweispflichtig, sobald staatliche Förderung und Einspeisevergütung in Anspruch genommen werden.
Dabei gilt: Nur die Wärme und Elektrizität aus KWK-Anlagen kann und darf abgerechnet werden. Die Biomasse-KWK ist daher auch messtechnisch strikt von anderen Anlagenteilen (beispielsweise Hilfskesseln und sonstigen Wärmequellen) zu trennen, da diese nicht Bestandteil der nachhaltigen Energieerzeugung sind.
Kein Eichrecht für Dampf
Die Messung der Energieströme erfolgt gemäß Messgeräterichtlinie und dem gültigen Eichgesetz. Das gilt etwa für die Abrechnung von Warmwasser (MI-004/ OIML R-117).
Jedoch sind nicht alle Medien in der Messgeräterichtlinie definiert: Für die Abrechnung von Wärmeenergie (Dampf) greift kein gültiges Eichrecht. Bei der Auslegung von Messstellen gilt deshalb der Stand der Technik. Dabei sind entsprechende Verfahren anzuwenden, die eine möglichst hohe Genauigkeit gewährleisten. Das setzt unter anderem voraus, dass Messgeräte rückführbar kalibriert sind.
Für die Prozesssteuerung und zu Verrechnungs- und Nachweiszwecken suchte Stork Thermeq für mehrere Messstellen nach einer Instrumentierung. Das besondere Augenmerk galt dabei den Dampfmessungen. Die Messtechnik sollte der Norm ISO 5167 entsprechend genau sein und nur einen geringen Restdruckverlust erzeugen.
Konkret lagen folgende Bedingungen vor:
Medium: Dampf
Durchflussgeschwindigkeit: 14 m/s
Dichte: 17,8 kg/m3
Druck: 56 bar
Temperatur: 450 °C
Vier Messstellen im Fokus
Als Projektpartner konnte sich letztlich der Messtechnikanbieter Krohne qualifizieren. Das Unternehmen lieferte eine Komplettlösung bestehend aus Durchfluss-, Druck- und Temperaturmesstechnik sowie einem Durchflussrechner. Zum Paket zählte außerdem die messtechnische Auslegung, Dokumentation und Kalibrierung entsprechend dem niederländischen KWKG.
Im Mittelpunkt der Zusammenarbeit standen folgende vier Messstellen:
Speisewassermessung
Für die Speisewassermessung lieferte Krohne das Ultraschall-Durchflussmessgerät Optisonic 3400 in der Version mit abgesetztem Messumformer (F). Es überwacht die eingesetzte Menge an Speisewasser für den biomassebefeuerten Dampfkessel.
Zusätzlich wurden der Drucktransmitter Optibar PM 3050 und der Temperaturfühler Optitemp TRA-S34 installiert. Dadurch lässt sich neben dem Volumendurchfluss auch der Energiegehalt (Enthalpie) des Speisewassers bestimmen.
Die Messwerte werden anschließend an den Mengenumwerter Summit 8800 übermittelt. Sie sind wichtige Parameter, um die Leistung der Anlage bei Bedarf anzupassen. Zusätzlich dienen sie als Nachweis über die zur Kraft-Wärme-Kopplung eingesetzte Speisewassermenge und ermöglichen eine klare Trennung vom Prozess des konventionell befeuerten Hilfskessels.
Prozessdampf-Durchflussmessung
Damit der Betreiber die Prozessdampfmengen abrechnen kann, lieferte Krohne eine nach ISO 5167 kalibrierte Messstrecke. Sie besteht aus einer Venturidüse mit Ringkammerdruckentnahme als Wirkdruckgeber inklusive geschmiedetem Fünffach-Ventilblock und Prozessventilen.
Die Durchflussmessung erfolgt durch den Differenzdruckmessumformer Optibar DP 7060. Er ist in dieser Anwendung mit einem Differenzdruckmessbereich bis 500 mbar und einem Überlastschutz bis 160 bar ausgeführt.
Die Kalibrierung führte Krohne auf einer rückführbaren Kalibrieranlage bei den gleichen im realen Prozess vorherrschenden Reynoldszahlen durch. Der Optibar DP 7060 wurde zudem werkseitig über den gesamten Bereich des statischen Drucks und der Umgebungstemperatur 3D-linearisiert. Typischerweise haben hohe Leitungsdrücke und erhöhte Umgebungstemperaturen dadurch praktisch keinen Einfluss auf die Messunsicherheit.
Zusätzlich wurde die Messstelle mit dem Drucktransmitter Optibar PM 3050 zur Relativdruckmessung sowie der Thermometer-Schutzarmatur Optitemp TRA-S34 ausgestattet. Das ermöglicht es dem Betreiber, eine druck- und temperaturkompensierte Massemessung durchzuführen und zusätzlich die Wärmeenergie zu bestimmen. Alle Messwerte werden an den für eichpflichtige Messungen zugelassenen Mengenumwerter Summit 8800 übermittelt.
Dampf-Durchflussmessung zur Gegendruck-Turbine
Eine weitere rückführbar kalibrierte Messstrecke mit gleicher Instrumentierung misst den Dampfdurchfluss, der die Gegendruckturbine versorgt. Auch hier werden alle Messwerte vom Summit 8800 verarbeitet. Dabei wird die Energiemenge dieser Messstelle mit der Energiemenge der vorhergehenden Messstelle verrechnet, sodass sich die einzelnen Dampfströme voneinander getrennt erfassen lassen.
Einspeisemessung von Dampf für das Fernwärmenetz
Um die ins Fernwärmenetz eingespeiste Energie abrechnen zu können, wird die Durchflussmessung vor der Turbine mit dem gemessenen Enthalpiewert verrechnet. Dazu ist die Messstelle mit dem Drucktransmitter Optibar DP 3050 und der Thermometer-Schutzarmatur Optitemp TRA-S34 ausgestattet. Der Summit 8800 verrechnet die Werte mit den Durchflussmesswerten der Turbineneinspeisung und ermittelt die im Fernwärmenetz bereitgestellte Energiemenge.
Fazit
Krohne stellt für alle Anwendungen, die dem KWKG unterliegen, passende Durchflussmesstechnik her. Dazu zähen Systeme für Dampf, Speisewasser, Kondensat, Brenngas und etwa auch Messungen in Fernwärmenetzen nach MID MI-004 (gemäß Genauigkeitsklasse 1).
Im Industriepark Kleefse Ward belaufen sich durch die rückführbar kalibrierten Messstrecken die installationsbedingten Messfehler nur noch auf ein Minimum, sodass die Energieströme genau und entsprechend den gesetzlichen Vorgaben gemessen werden. Auf diese Weise hält der Betreiber alle Anforderungen sowohl an die Abrechnung der Dampfmengen als auch an die staatliche Förderung und Einspeisevergütung ein.
