Ertüchtigung der Vollentsalzungs- anlage und DOC ... - Berkefeld

Ertüchtigung der Vollentsalzungsanlage
und DOC-Reduktion
über Umkehrosmose
im Kraftwerk Lippendorf
Von Thomas Hörtinger, Michael Köhler,
Karla Georgi-Kruggel, Thomas Meyerhoff
Überreicht durch:
87. Jahrgang, Heft 8/2007, Seite 77 bis 80
International Journal for Electricity and Heat Generation

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Abstract
Improved Efficiency of Demineralization
Plant and DOC Reduction
by Reverse Osmosis
in the Lippendorf Power Plant
The water treatment plants in the Lippendorf
Power Plant were erected within the period of
1997 to 1999. The mode of operation of the
erected cooling tower auxiliary water treatment
plant (KZA) was not sufficiently adjusted
to the requirements of the demineralization
(VEA) plant by the constructor. The KZA was
converted from a sole flocculation process to
an operation with partial decarbonization for
the production of a specific deionate quality
and the first insufficient removal of organic
components occurred during the commissioning
of the VEA.
Immediate measures to remove the deficiencies
and stabilize the operation of the water
treatment plants did not lead to a reliable and
high-quality deionate. Therefore, a comprehensive
test program was initiated in 2002 to
determine adequate technologies for producing
deionate in the Lippendorf Power Plant.
The program aimed at reducing the content of
organic components in the deionate so that
the steam-water-circulation can operate
without problems. The planning for the refurbishment
of the VEA started in April 2003.
The refurbishment aimed a producing a highquality
deionate and implement the refurbishment
measures during the running power
plant operation without affecting the core
processes.
The report introduces results and experiences
from the 15 month refurbishment and the previous
continuous operation.
Einleitung
Das Kraftwerk Lippendorf wurde als Neubau
durch ein Konsortium aus den Elektrizitätsversorgungsunternehmen
Bayernwerk AG,
EnBW Energie Baden-Württemberg AG
(EnBW) und VEAG Vereinigte Energiewerke
AG errichtet (Bild 1).
Vattenfall Europe Generation AG (VE-G)
betreibt dieses Kraftwerk heute für die VE-G
und die Südpartner E.ON AG und EnBW.
Die Anlage hat zwei Blöcke mit einer installierten
Brutto-Netto-Leistung von insgesamt
1840 MW und ging im Jahr 2000 in den bestimmungsgemäßen
Betrieb.
Das Kraftwerk bezieht aus der Freiberger
Mulde durch ein technisches Überleitungssystem
in die Eula Wasser, welches das Speicherbecken
Witznitz bedient. Aus diesem
Speicher fördert eine Rohwasserpumpstation
das gesamte für alle Kraftwerksprozesse benötigte
Wasser.
Das Rohwasser wird über eine Kühlturm-
Zusatzwasser-Aufbereitungsanlage (KZA) und
eine anschließende Vollentsalzungsanlage
(VEA) zur Erzeugung der erforderlichen Deionatqualität
für den Dampfkesselbetrieb aufbereitet.
Seit Inbetriebnahme der KZA und der VEA
wurde die geforderte Deionatqualität nur teilweise
erreicht. In diesem Beitrag werden die
Erfahrungen im Umbau bei laufendem Kraftwerksbetrieb
und die gewonnenen Erkenntnisse
nach sieben Monaten bestimmungsgemäßen
Betrieb der Vollensalzungsanlage
ausgewertet.
Vorgeschichte
Die Wasseraufbereitungsanlagen des Kraftwerks
Lippendorf wurden im Zeitraum von
1997 bis 1999 errichtet. Die Betriebsweise
der errichteten Kühlturm-Zusatzwasser-Aufbereitung
(KZA) ist durch den Errichter nur
unzureichend auf die Belange der Vollentsalzungsanlage
(VEA) abgestimmt worden.
Die Umstellung der KZA vom reinen
Flockungsbetrieb auf einen Betrieb mit Teil-
Ertüchtigung der VE-Anlage und DOC-Reduktion
Ertüchtigung der Vollentsalzungsanlage und
DOC-Reduktion über Umkehrosmose
im Kraftwerk Lippendorf
Autoren
Dipl.-Ing. Dipl.-UWT Thomas Hörtinger
Abteilung Technik des Bereiches
Kraftwerksmanagement,
Vattenfall Europe Generation AG & Co. KG,
Cottbus/Deutschland.
Dipl.-Ing. Michael Köhler
Abteilung Anlagentechnik des Bereiches
Technischer Service Kraftwerke,
Vattenfall Europe Generation AG & Co. KG,
Kraftwerk Lippendorf,
Böhlen/Deutschland.
Dipl.-Ing. Karla Georgi-Kruggel
Bereich Betrieb Grundlastkraftwerke,
Vattenfall Europe Generation AG & Co. KG,
Kraftwerk Lippendorf,
Böhlen/Deutschland.
Dipl.-Ing. Thomas Meyerhoff
ELGA Berkefeld GmbH,
Celle/Deutschland.
entcarbonisierung zur Erzeugung einer bestimmungsgemäßen
Deionatqualität zeigte
erstmalig die mangelhafte Entfernung der organischen
Inhaltsstoffe während der Inbetriebnahme
der VEA auf. Die Analytik der
organischen Inhaltsstoffe von Kreislaufwässern
steckte noch in den Anfängen.
Das führte zu ersten Mängelbeseitigungen in
den Anlagen KZA und VEA noch während
der Inbetriebnahme der Blöcke 1999 und
nach Aufnahme des bestimmungsgemäßen
Betriebes im Jahre 2000.
Während des Probebetriebes und danach
zeigte das Deionat folgende Qualitätsmerkmale:
Leitfähigkeit bei 25 °C 0,07 bis 0,15 �S/cm
DOC-Gehalt 240 bis 400 �g/�
Bild 2 zeigt aus dem Versuchszeitraum
(2002) typische Deionatqualitäten der damaligen
VEA. Die VEA konnte kein qualitätsgerechtes
Deionat erzeugen, weil die erforderliche
spezifische Leitfähigkeit (LF)
von < 0,08 �S/cm und ein DOC-Gehalt von
< 200 µg/� nicht zuverlässig erreicht wurden.
Die VEA war nur bedingt betriebsfähig, weil
es sehr viele Störungen durch den installierten
Start-Stopp-Betrieb der Schwebebettaustauscher
gab. Die Regeneration zeigte sehr
große Schwankungen, und der automatische
Betrieb war nicht harmonisiert und abgestimmt.
Ab Frühjahr 2001 erfolgte ein umfangreiches
Stabilisierungsprogramm der Wasseraufbereitung.
KZA: Umrüstung auf Vollentcarbonisierung
und Umbau der Kammerfilterpressen
bedingt durch den erhöhten Schlammanfall.
VEA: Rekonstruktion der Neutralisationsanlage
und des Abwasserbeckens.
Von April bis Oktober 2002 wurde ein
umfangreiches Versuchsprogramm zur Fest-
Bild 1. Kraftwerk Lippendorf.
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Ertüchtigung der VE-Anlage und DOC-Reduktion
Bild 2. Deionatqualität der VEA.
legung geeigneter Technologien der Deionaterzeugung
im Kraftwerk Lippendorf aufgelegt
[1]. Ziel dieser Versuche war es, den Organikgehalt
im Deionat so weit zu senken,
dass im Wasser-Dampf-Kreislauf keine Probleme
zu erwarten sind.
Daher wurde – ausgehend von den gewonnen
Erkenntnissen aus dem Versuchsprogramm
– zur Festlegung geeigneter Technologien
der Deionaterzeugung ab April 2003
die Ertüchtigung der VEA planungsseitig gestartet.
Ziele der Ertüchtigung
Die Ziele der Ertüchtigung können wie folgt
zusammengefasst werden:
– Deionatqualität nach Mischbettaustauscher:
Bild 3. Einteilung der Bauabschnitte.
Leitfähigkeit bei 25 °C � 0,08 �S/cm
SiO2-Gehalt � 10 µg/�
Natrium-Gehalt � 2 �g/�
DOC-Gehalt � 100 µg/�
– Die Ertüchtigung muss im laufenden Betrieb
des Kraftwerkes ohne Leistungsminderung
erfolgen.
– Weitgehende Nutzung der vorhandenen
Anlagentechnik.
– Verbesserung der Betriebssicherheit und
der Automatisierung gegenüber dem Ausgangszustand
der VEA von 2002 (unter
anderem Verkürzung der Anwaschprozesse
und der Straßenwechsel) sowie die Harmonisierung
des Anlagenbetriebes.
– Wechsel der vorhandenen Strahler gegen
Dosierpumpen in der Chemikalienstation.
– Änderung der Kreislaufwäschen und Beseitigung
der Chemikaliennester an den
Kationen- und Anionenaustauschern.
– Verbesserung der Verfügbarkeit und der
Effektivität des Aufbereitungsprozesses.
– Eine Vergleichmäßigung der Deionat-Produktion
in Anlehnung der Nachspeisemengen
der Blöcke muss erreicht werden.
Bis zur endgültigen Festlegung des Umbauund
Verfahrenskonzeptes sind sehr viele
Varianten sehr genau untersucht worden.
Folgenden Kriterien wurden aus der Auswahl
besonders gewichtet:
– Umbautechnologie mit geringsten Risiken
auf den laufenden Betrieb.
– Nutzung aller bestehenden Anlagenteile.
– Keine Gebäudeerweiterung.
– Kein Eingriff in das Abwasserbehandlungssystem.
– Höchste Flexibilität und Sicherheit der
VEA.
– Versorgung mit Eigenwasser. Die Fremdabnehmer
wurden in das Konzept eingebunden.
Im Folgendem ist das realisierte Umbau- und
Verfahrenskonzept dargestellt.
Ertüchtigung der Vollentsalzungsanlage
Als Anlagenkonzept für die Ertüchtigung
der VEA wurde die Entsalzung über VEA
mit zwischengeschalteter Umkehrosmose
(UO) zur DOC-Reduktion und nachgeschalteten
Mischbettaustauschern (MBT) gewählt
(Bild 3). Die Auswertung der technischen
Angebote erfolgte im zweiten Halbjahr 2003
und die Vergabe im 1. Quartal 2004. Die Ertüchtigung
wurde in insgesamt neun Bau-
4 VGB PowerTech 8/2007

Bild 4. SDI-Untersuchungen (15 min, 2,1 bar).
Werte nach verschiedenen Technologiestufen.
abschnitte (BA) unterteilt. Die Umsetzung der
Aktivitäten ist im Zeitraum von Oktober 2004
bis Dezember 2005 durchgeführt worden.
Inline-Flockung mit FeCl3 und
Oxiluft-Dosierung
In der Planungs- und Vergabephase wurde
die Umrüstung einer Betriebsabwasserbehandlungsanlage
(BAA) in eine „Saure
Flockung“ vorgesehen. Die Erkenntnisse des
Versuchsprogramms hatten gezeigt, dass eine
Saure Flockung nach der Vollentcarbonisierung
ein Absenken des DOC-Gehaltes um
50 % bewirken würde.
Diese Umrüstung einer BAA der beiden bestehenden
BAA-Straßen hätte eine dauerhafte
Beeinträchtigung des Betriebsabwassersystems
bedeutet.
Hierauf wurde zugunsten einer Inline-
Flockung mit FeCl3 und Oxiluft-Dosierung
vor Mehrschichtfilter (MSF) verzichtet.
Diese Art der Flockung sollte eine Reduktion
des DOC-Gehaltes von rund 30 % bewirken
Bild 5. Vergleich der Ergebnisse Saure-Flockung-Versuchsprogramm
2002 mit der Inline-Flockung nach Ertüchtigung VEA.
und eine deutliche Erniedrigung des Silt-
Density-Index (SDI) der gesamten VEA erwarteten
lassen. Untersuchungen bezüglich
des SDI in der VEA hatten deutlich erhöhte
Werte aufgezeigt (Werte > 5). Zielstellung
waren ein SDI von 3 bis 4 nach MSF und ein
SDI von < 1 vor UO.
Unterstützend sollte die bestehende Mehrschichtfiltration
in eine parallelarbeitende,
gleichlaufgeregelte Monoschichtfiltration mit
reduzierter Filtrationsgeschwindigkeit ertüchtigt
werden.
Die Erkenntnisse des ersten Testbetriebes
zeigten, dass sich die Laufzeiten des ersten
Monoschichtfilters gegenüber dem vorherigen
Mehrschichtfilter mehr als halbiert hatten. Es
erfolgte ein Rückbau auf Mehrschichtfilter.
Ergebnisse
In Tabelle 1 werden die erreichten Werte
nach Ertüchtigung der Vollentsalzungsanlage
präsentiert.
Ertüchtigung der VE-Anlage und DOC-Reduktion
Tabelle 1. Erreichte Werte nach Ertüchtigung der VE.
Leistungsgarantie erreichte Werte
Klarwasserqualität
nach Mehrschichtfilter
pH-Wert 8 bis 10 8,5 bis 9,6
Trübung in FNU < 0,1 meist < 0,09
SDI (15 min; 2,1 bar) 3 bis 4 < 1
Permeatqualität
Leitfähigkeit bei 25 °C in �S/cm 2 < 1
DOC-Gehalt in �g/� < 100 < 50
Deionatqualität
nach Mischbettaustauscher
Leitfähigkeit bei 25 °C in �S/cm < 0,08 0,06
SiO2-Gehalt in �g/� < 10 < 5
Natrium-Gehalt in �g/� < 2 � 1
DOC-Gehalt in �g/� � 100 < 50
Voruntersuchungen in 2003 hatten gezeigt,
dass nach MSF und AT SDI-Werte > 5 zu
verzeichnen waren. Die erweiterte Voraufbereitung
durch Inline-Flockung und Oxiluft-
Dosierung über MSF ergab folgende Verbesserungen
(Bild 4).
Die erzielten SDI-Werte nach Anionentauscher
(AT) lassen mit Werten von < 0,5
nur noch ein sehr verlangsamtes Bio-Fouling
der UO-Membranen zu. Die dauerhafte Anlagensicherheit
und -verfügbarkeit der UO
wird deutlich gewährleistet, besonders, weil
wöchentlich eine Biozidbehandlung jeder der
drei UO-Straßen erfolgt.
Der dokumentierte TOC-Gehalt nach KZA im
Jahre 2006 liegt zwischen 3,5 bis 5,3 mg/�.
Bild 5 zeigt, dass die in der Ertüchtigung
gewählte Inline-Flockung mit Oxiluft-Dosierung
ähnlich sehr gute Ergebnisse der DOC-
Reduktion in der Voraufbereitung erbringt
wie eine Saure Flockung. Die Absenkung
der Polysaccharide ist bei beiden Verfahren
identisch. Die Huminstoffe wurden bei der
Sauren Flockung stärker reduziert, und die
Building Blocks nehmen bei Inline-Flockung
stärker ab.
Bild 6. DOC-Zusammensetzung nach Ertüchtigung der VEA.
VGB PowerTech 8/2007 5

Ertüchtigung der VE-Anlage und DOC-Reduktion
Bild 7. Deionaterzeugung nach Ertüchtigung der VEA.
In der Prozessanalyse und im Versuchsprogramm
von 2002 wurde die Stoffgruppe der
Polysaccharide als der dominante Anteil am
DOC im Deionat identifiziert (Bild 6). Als
zweitstärkste Stoffgruppe wurden die Neutralstoffe
gefunden. Die Ertüchtigung der
VEA bestätigt im vollen Umfang die damaligen
Untersuchungen. Ein Vergleich der
DOC-Konzentration vor und nach dem Umbau
der Vollentsalzungsanlage zeigt, dass
durch die verbesserte Filtration (MSF) die
Konzentration von 200 µg/� bereits nach AT
erreicht wird, was mit dem alten Konzept der
VEA nicht möglich war. Die Ergebnisse der
DOC-Reduktion über die nach AT angeordnete
UO übertreffen sogar noch die damaligen
Erwartungen. Es kann meisten ein DOC
< 50 µg/� nach MBT erzielt werden. Die Einhaltung
eines DOC-Gehaltes < 100 µg/� wird
durch die deutliche Reduktion der Polysaccharide
und Neutralstoffe über die UO erreicht.
Das wird durch die Erfahrungswerte
der Online-TOC-Messung mit den beiden installierten
Geräten uniTOC-online der Firma
innocont control systems cyclisch überprüft.
Die Einspeisung des Deionats in den Wasser-
Dampf-Kreislauf zeigt nach Ertüchtigung der
VEA keine Erhöhung der Leitfähigkeit nach
dem starksauren Kationenaustauscher mehr.
Die Möglichkeit der oxidativen Spaltung der
organischen Inhaltsstoffe im Kessel wurde
somit weitestgehend reduziert.
Die VEA des Jahres 2002 konnte nur zwei
Betriebszustände bewältigen, entweder eine
Deionatproduktion > 100 m3 /h oder keine
Deionatproduktion.
Bild 7 zeigt, dass die ertüchtigte VEA
durch Änderung der Kreislaufwäschen und
Rückführung nicht benötigter Produktionswässer
zum Reinwasserbecken (Aufrechterhaltung
der Schwebefestbetten) und dem
nachgeschalteten modularen Betrieb der drei
UO-Straßen (Produktionskapazität von jeweils
30 bis 40 m3 /h) eine deutlich bedarfsgerechtere
Produktion zulässt. Die häufigen
Stillstände der VEA – das Wiederanfahren
und das Anwaschen der Austauscher – wurden
erfolgreich in einen geregelten Betriebszustand
mit erhöhter Verfügbarkeit und reduziertem
Eigenwasserverbrauch der VEA
überführt.
Zusammenfassung
VE-G hat die Ertüchtigung der Vollentsalzungsanlage
im Kraftwerk Lippendorf
erfolgreich abgeschlossen. Sie erfolgte im
laufenden Kraftwerksbetrieb, dabei sind die
Kernprozesse des Kraftwerks nicht negativ
beeinflusst worden.
Die Wasseraufbereitung und die Vollentsalzung
produzierten in der Ertüchtigungsphase
entsprechend den Anforderungen des Kraftwerkes
das notwendige Kesselzusatzspeisewasser.
Besonders hervorzuheben ist die hervorragende
Qualität der Voraufbereitung Vollentcarbonisierung,
unterstützt durch die FeCl3-
Flockung und die Oxiluft-Eindüsung vor
den parallelarbeitenden, gleichlaufgeregelten
Mehrschichtfiltern mit reduzierter Filtrationsgeschwindigkeit.
Alle geforderten Qualitätsparameter und die
Betriebserwartungen der ertüchtigten Vollentsalzungsanlage
konnten im Test- und Probebetrieb
der Gesamtanlage erfolgreich vorgefahren
und bis heute erfolgreich erreicht
werden. Der DOC-Gehalt nach Mischbettaustauscher
ist < 100 µg/� und entspricht
dem Richtwert der EPRI.
Literatur
[1] Schley, H., Mauer, D., Markert A., Lehmann
I., und Piepenbring, O.: Pilot-Versuche
zur Rohwasservorbehandlung für die Erzeugung
von vollentsalztem Wasser. VGB
PowerTech 84 (2004), H. 9, S. 38–45. �
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