VGB POWERTECH 7 (2020) - International Journal for Generation and Storage of Electricity and Heat

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Abstracts VGB PowerTech 7 l 2020 Technical risk management of hydropower plants Wolfgang Hamelmann, Klaus Engels and Peter Struckmann When operating and maintaining a large portfolio of hydropower assets, the challenge for the owner and operator is to decide which risk mitigation investments and maintenance activities should come first, and when. This is especially true when resources in personnel and budgets are limited, and the profitability of the plants must be optimized. The situation requires an efficient and rational prioritization of activities and corresponding allocation of budgets. But how can the right criteria and investment principles be determined, if the overall target is safe, reliable, compliant and economical operation of plants? This article outlines how an asset risk management system can assist in this determination. Optimised maintenance strategies in thermal waste utilisation Artificial intelligence and high quality key performance indicators increase availability Mariusz Maciejewski and Harald Moosandl Currently, thermal waste treatment plants are virtually used to capacity, mostly operating at maximum utilization capacity. After technical optimizations in recent years, in most cases a further increase in the throughput can only be achieved by increasing the hours of operation and thus reducing the downtimes. First of all, these goals can be achieved by means of optimized strategies like a predictive and thus condition-based maintenance. An innovative system of STEAG Energy Services GmbH (SES) that MVV Umwelt, one of Europe’s leading companies of the industry, uses in their plants, already shows how innovative and powerful methods can be used in practice. A fundamental prerequisite for this is a continuous process quality and condition monitoring of plants and components in thermal waste treatment plants. Here a central challenge consists in the task to reliably identify abnormalities and also creeping changes from the vast amount of process data provided by modern control systems in order to react early and thus in time. Methods for the physical modeling in predictive maintenance create a crucial basis for this. Moreover, groundbreaking technologies like Big Data and machine learning in combination with AI methods allow to largely automate the procedures for the modeling and thus the determination of reference values for the real-time monitoring of thermal waste treatment plants. After all, especially the users and thus the operation management and maintenance in thermal waste treatment plants benefit from such developments. Refractory linings under thermomechanical aspects Holger Leszinski and Martin Breddermann The design of refractory structures is usually based on requirements that must be matched to the expected furnace atmosphere: Tightness, thermal and chemical compatibility, minimization of heat losses, etc. In this respect, the experience of the constructor and heat transfer calculations on the regular layer structure are supposed to ensure that the completed system can be relied upon. In contrast, comparatively little attention is paid to thermomechanical processes. Often it is constraint stresses – during operation caused by hindrance of temperature deformation and sometimes many times higher than stresses due to dead loads or internal furnace pressure – which can “bring furnace components to their knees”. Even after the occurrence of such failures, the causes are often sought in the wrong direction, among other things because the thermomechanical interactions of the individual structural components are not known or are underestimated. Of course, it is only possible to approximate the complex of refractory construction with its innumerable imponderables, also from a thermomechanical point of view; for this, in the given article the basic mechanisms are explained, exemplary thermomechanical considerations of various design examples are shown, and the possibilities for optimizing safety and service life that can be concluded from this are presented. Thermal turbomachinery Consulting services for the plant operator Gerald Kulhanek, Michael Schwaiger, Dominik Franzl and Leonhard Franz Pölzer Thermal turbomachines are the core component of many industrial plants. After the occurrence of damage, during revisions/overhauls, in the case of large revamp/retrofit projects or for new acquisitions, plant operators are often interested in obtaining consulting services from external consulting companies for a limited period of time. In recent years and decades, the turbomachinery market has been characterized by major changes. Turbine manufacturing plants have been shut down or restructured and tasks have become more and more challenging due to new regulations and laws. At the same time, it is becoming increasingly difficult for turbine manufacturers and plant operators to retain or attract skilled workers and experts. This creates a demand for independent technical consulting services in the field of thermal turbomachinery. This paper defines and describes the essential requirements that a turbomachinery consulting team should meet in order to ensure a sustainable partnership with a plant operator. Based on many years of practical experience, the range of tasks for which the use of consulting services in the field of thermal turbomachinery has proven its worth is presented, as well as the developed solution methods. Statement on the IT Security Act 2.0 Stefan Loubichi The threat situation in IT/OT-security as well as cyber-security in the energy sector remains high. We don´t know who exactly the cyber terrorist / cyber criminals are, what they are planning and that their next goals are. We only know from the annual cyber attacks in Ukrainian power grids or SCADA systems worldwide that they could realize a blackout. With the IT-security law (published in 2015) our government took a courageous step in 2015 to protect our critical infrastructure. Unfortunately, in Germany we have lost leadership in this area in terms of IT-/OT-security and have not adopted an audit program for energy producers until now. In this article the draft of the ITR-security law 2.0, published in May 2020, is presented. It is anticipated that the draft will enter into force with slight changes by the end of the year. Operators as well as manufacturer of core components have to deal with new (legal) requirements for their IT-/OT-systems. What they have to do and which consequences they have to expect if they do not implement the requirements are presented in this article. Of course, there is still room for improvement in our IT-security law 2.0. But the new IT-security law 2.0 will help us to achieve security for tomorrow. The Biofficiency Project Part 1: Handling ash-related challenges in biomass-fired cogeneration plants Lynn Hansen, Thorben de Riese, Richard Nowak Delgado, Timo Leino, Sebastian Fendt, Pedro Abelha, Hanna Kinnunen, Partik Yrjas, Flemming Frandsen, Bo Sander, Frans van Dijen and Hartmut Spliethoff The EU funded project Biofficiency developed a blueprint for the next generation of biomassbased cogeneration plants using difficult fuels while assuring a secure and nearly carbonneutral power generation. In this first part of a series of two publications, a summary of the activities handling ash-related challenges in biomass boilers is provided. Three thermochemical pre-treatment technologies, torrefaction, hydrothermal carbonisation and steam explosion proved suitable for upgrading residual biomass feedstock by increasing energy densities and improving storage as well as handling properties. In combustion tests, both in pulverised fuel (PF) and fluidised bed (FB) systems ash-related problems, namely deposit build-up, fine particle formation and corrosion were examined. Deposit tests in PF boilers showed that the additives have a pronounced effect on deposit propensity, the additive amount being of greater importance than the type of additive. The use of additives also showed positive influence on aerosol formation. In FB firing, an optimisation of the additive composition and insertion was performed, where elemental sulphur was found to be the most cost-effective additive for this case. It was demonstrated that pre-treating straw by torrefaction combined with a washing step requires a substantially lower amount of additive to be added during combustion. Biomass ashes from different sources were classified based on their composition and possible utilisation pathways with the goal to avoid landfilling were developed. Innovative utilisation options were identified such as utilisation in construction materials or recovery of valuable elements. A journey through 100 years VGB | Hydropower Development Potential of Hydro-electric Power E. Göde Hydro-power: Challenges in Europe Michel Vogien und Hans Peter Sistenich Maintaining Know-how and Assuring Quality in Hydro Power Plants Josef F. Ciesiolka and Hans-Christoph Funke 6
VGB PowerTech 7 l 2020 Kurzfassungen Technisches Risikomanagement von Wasserkraftwerken Wolfgang Hamelmann, Klaus Engels und Peter Struckmann Beim Betrieb und der Instandhaltung eines großen Portfolios von Wasserkraftanlagen besteht die Herausforderung für den Eigentümer und Betreiber darin, zu entscheiden, welche Investitionen zur Risikominderung und welche Instandhaltungsmaßnahmen wann an erster Stelle stehen sollten. Dies gilt insbesondere dann, wenn die Ressourcen an Personal und Budgets begrenzt sind und die Rentabilität der Anlagen optimiert werden muss. Die Situation erfordert eine effiziente und rationale Priorisierung von Aktivitäten und eine entsprechende Zuweisung von Budgets. Aber wie können die richtigen Kriterien und Investitionsprinzipien bestimmt werden, wenn das Gesamtziel ein sicherer, zuverlässiger, konformer und wirtschaftlicher Betrieb der Anlagen ist? Dieser Beitrag skizziert, wie ein Anlagen-Risikomanagementsystem bei dieser Bestimmung unterstützen kann. Optimierte Instandhaltungsstrategien in der thermischen Abfallverwertung Künstliche Intelligenz und High Quality Key Performance Indicators steigern Verfügbarkeit Mariusz Maciejewski und Harald Moosandl Thermische Abfallbehandlungsanlagen (TAB) sind derzeit nahezu ausgelastet und arbeiten zumeist mit maximaler Verwertungskapazität. Nach technischen Optimierungen in den letzten Jahren ist eine weitere Steigerung des Durchsatzes meist nur durch eine Erhöhung der Betriebsstunden und damit einer Reduzierung der Stillstandzeiten möglich. Diese Ziele sind vor allem mit optimierten Strategien wie einer prädiktiven und damit zustandsorientieren Instandhaltung zu erreichen. Eine innovatives System der STEAG Energy Services GmbH (SES), das die MVV Umwelt, eines der führenden Unternehmen der Branche in Europa, in ihren Anlagen einsetzt, zeigt bereits, wie innovative und leistungsfähige Methoden in der Praxis genutzt werden können. Eine wesentliche Voraussetzung hierfür ist eine kontinuierliche Prozessgüte- und Zustandsüberwachung von Anlagen und Komponenten in TAB. Eine zentrale Herausforderung besteht dabei darin, aus der Fülle an Prozessdaten, die moderne Leitsysteme bereitstellen, zuverlässig Auffälligkeiten und auch schleichende Veränderungen zu identifizieren, um hierauf früh- und damit rechtzeitig reagieren zu können. Eine entscheidende Basis hierfür schaffen Methoden zur physikalischen Modellbildung in der prädiktiven Instandhaltung. Wegweisende Technologien wie Big Data und Machine Learning ermöglichen es in Kombination mit KI-Methoden überdies, die Verfahren zur Modellbildung und damit die Ermittlung von Referenzwerten zur Echtzeitüberwachung von TAB weitestgehend zu automatisieren. Von solchen Entwicklungen profitieren letztendlich vor allem die Anwender und damit die Betriebsführung und Instandhaltung in TAB. Feuerfeste Auskleidungen unter thermomechanischen Gesichtspunkten Holger Leszinski und Martin Breddermann Die Auslegung feuerfester Strukturen erfolgt üblicherweise aufgrund von Forderungen, die auf die zu erwartende Ofenatmosphäre zugeschnitten werden müssen: Dichtigkeit, thermische und chemische Verträglichkeiten, Minimierung der Wärmeverluste etc. Diesbezügliche Erfahrungswerte des Konstrukteurs und Wärmedurchgangsberechnungen am regulären Schichtaufbau sollen dafür sorgen, dass auf die fertiggestellte Anlage Verlass ist. Thermomechanischen Vorgängen hingegen wird vergleichsweise wenig Aufmerksamkeit gewidmet. Oftmals sind es Zwangsspannungen – im Betrieb hervorgerufen durch behinderte Temperaturverformung und zum Teil um ein Vielfaches höher als Spannungen infolge Eigenlasten oder Ofeninnendruck – welche Anlagenteile „in die Knie zwingen“ können. Selbst nach Eintreten derartiger Versagensfälle werden die Ursachen häufig an falscher Stelle gesucht, unter anderem weil die thermomechanischen Wechselwirkungen der einzelnen Strukturkomponenten nicht bekannt sind oder unterschätzt werden. Selbstverständlich kann man sich dem Komplex Feuerfestbau mit seinen auch in thermomechanischer Hinsicht zahllosen Unwägbarkeiten nur annähern; dazu werden im vorliegenden Beitrag die grundlegenden Mechanismen erläutert, beispielhafte thermomechanische Betrachtungen verschiedener Konstruktionsbeispiele aufgezeigt, und die daraus ableitbaren Möglichkeiten zur Optimierung der Sicherheit und Langlebigkeit dargelegt. Thermische Turbomaschinen Beratungsleistung für den Anlagenbetreiber Gerald Kulhanek, Michael Schwaiger, Dominik Franzl und Leonhard Franz Pölzer In vielen Betriebsanlagen stellen die Thermischen Turbomaschinen die Kernkomponente dar. Nach eingetretenen Schäden, bei Revisionen, bei großen Revamp/Retrofit Projekten aber auch bei Neuanschaffungen, besteht seitens der Anlagenbetreiber häufig Interesse daran für einen begrenzten Zeitraum Beratungsleistungen von externen Beratungsunternehmen anzunehmen. Der Turbomaschinenmarkt ist in den letzten Jahren und Jahrzehnten durch starke Veränderungen geprägt worden. Dadurch entsteht ein Bedarf an unabhängigen technischen Beratungsleistungen im Bereich Thermische Turbomaschinen, die Anlagenbetreiber in Projekten mit Fokus auf die Kernkomponente Thermische Turbomaschine bei gleichzeitiger Mitbetrachtung der Peripherie in verschiedenen Projektphasen unterstützen. In diesem Beitrag werden die wesentlichen Voraussetzungen definiert und erläutert, die ein Turbomaschinenberatungsteam erfüllen sollte, um eine nachhaltige Partnerschaft mit einem Anlagenbetreiber gewährleisten zu können. Basierend auf langjähriger Praxiserfahrung wird die Bandbreite an Aufgabenstellungen, bei denen sich die Inanspruchnahme von Beratungsleistungen im Bereich Thermischer Turbomaschinen bewährt hat vorgestellt, sowie dabei entwickelte Lösungspraktiken aufgezeigt. Stellungnahme zum IT-Sicherheitsgesetz 2.0 Stefan Loubichi Im Juli 2015 wurde das (erste) IT-Sicherheitsgesetz (IT-SIG) in Kraft gesetzt. Es war ein wichtiger erster Meilenstein, mit der die Bundesrepublik Deutschland zum Vorreiter in Sachen IT- Schutz in der Europäischen Union wurde. Wie gut die Bundesrepublik Deutschland war, lässt sich auch daran erkennen, dass das europäische Pendant, die NIS Direktive erst im Jahr 2017 in Kraft trat. In diesem Beitrag wird der Entwurf des ITR-Sicherheitsgesetzes 2.0 vorgestellt, der im Mai 2020 veröffentlicht wurde. Es wird erwartet, dass der Entwurf mit leichten Änderungen bis Ende des Jahres in Kraft treten wird. Sowohl die Betreiber als auch die Hersteller von Kernkomponenten müssen sich mit neuen (gesetzlichen) Anforderungen an ihre IT-/OT-Systeme auseinandersetzen. Mögliche Konsequenzen werden in diesem Beitrag dargestellt. Natürlich gibt es im IT-Sicherheitsgesetz 2.0 noch Verbesserungsbedarf. Aber das neue IT-Sicherheitsgesetz 2.0 wird helfen, die Sicherheit von morgen zu erreichen. Das Biofficiency Projekt | Teil 1: Umgang mit aschebedingten Herausforderungen in biomassebefeuerten Heizkraftwerken Lynn Hansen, Thorben de Riese, Richard Nowak Delgado, Timo Leino, Sebastian Fendt, Pedro Abelha, Hanna Kinnunen, Partik Yrjas, Flemming Frandsen, Bo Sander, Frans van Dijen and Hartmut Spliethoff Das von der EU geförderte Projekt Biofficiency entwickelte einen Entwurf für die nächste Generation von Biomasse-gefeuerten Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen, die mit Brennstoffen niedriger Qualität arbeiten und eine sichere und nahezu kohlenstoffneutrale Stromerzeugung gewährleisten. In diesem ersten Teil einer Reihe von zwei Publikationen wird eine Zusammenfassung der Aktivitäten zur Bewältigung aschebedingter Probleme in biomassegefeuerten Kesseln gegeben. Die drei untersuchten thermochemischen Vorbehandlungsmethoden, Torrefizierung, hydrothermale Karbonisierung und Dampfexplosion erwiesen sich als geeignet, um Reststoffe durch eine Erhöhung der Energiedichte und Verbesserung der Lager- und Handhabungseigenschaften zu Veredeln. In Versuchen vom Labor- bis zum Vollmaßstab in Staubfeuerungs- und Wirbelschichtanlagen wurden aschebedingte Probleme bei der Biomasseverbrennung wie Depositionen, Feinstaubbildung und Korrosion untersucht. Bei Versuchen in Wirbelschichtsystemen wurde eine Optimierung der Additivzusammensetzung durchgeführt, wobei sich elementarer Schwefel als der kostengünstigste Zusatzstoff für diesen Fall herausstellte. Es konnte gezeigt werden, dass die Vorbehandlung von Stroh durch Torrefizierung in Kombination mit einem Waschschritt eine wesentlich geringere Menge an Additiven erfordert, die während der Verbrennung zugegeben werden muss. Biomasseaschen aus verschiedenen Quellen wurden auf der Basis ihrer Zusammensetzung und möglicher Verwertungswege klassifiziert, um künftig eine umweltschädliche Deponierung von Biomasseaschen zu vermeiden. Es wurden innovative Nutzungsoptionen identifiziert, wie z.B. die Verwendung von Biomasseaschen in Baustoffen oder die Rückgewinnung von Nährstoffen. 100 Jahre VGB: Eine Zeitreise | Wasserkraft Entwicklungspotentiale in der Wasserkraft E. Göde Wasserkraft: Herausforderungen in Europa Michel Vogien und Hans Peter Sistenich Know-how-Erhalt und Qualitätssicherung bei Wasserkraftanlagen Josef F. Ciesiolka and Hans-Christoph Funke 7
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