Die vorliegende Dissertation soll einen Beitrag für die systematische Einbeziehung der technischen Faktoren Zuverlässigkeit, Verfügbarkeit und Instandhaltung (eng. Reliability, Availability, Maintainabiliy; RAM) in die Optimierung von kraftwerkstechnischen Anlagen unter den heutigen Bedingungen der Energieerzeugung liefern. Grundlegende Veränderungen hierbei innerhalb der letzten Jahre haben einen erheblichen Einfluss auf Betrieb und Instandhaltung der Kraftwerke, auf die gestellten Verfügbarkeitsanforderungen sowie auch auf das Entwicklungstempo bei der Einführung neuer Technologien bzw. Komponenten. Die Schwerpunkte der Zielstellung liegen auf folgenden Punkten: · Entwicklung einer Methodik für die systematische Einbeziehung der RAM-Faktoren in die Optimierung; · Untersuchungen zur zustandsorientierten Instandhaltung von Kraftwerksanlagen, deren Hauptkomponenten durch neue bzw. fortschrittliche Technologien gekennzeichnet sind. Die Arbeit geht von dem Ansatz aus, die Optimierung von Kraftwerken als zustandsorientierte Entscheidungsprobleme aufzufassen. Die Charakterisierung des Zustandes von Anlagen und ihrer Komponenten, und damit ihrer Funktionsfähigkeit, wird anhand von RAM-Werten durchgeführt. Dabei werden die technischen Einflüsse auf die Funktionsfähigkeit bei deren Auslegung, deren Minderung bzw. Verlust sowie ihrer Wiederherstellung analysiert und systematisiert. Ein Kernaufgabe dieser Untersuchungen war die Erschließung und Aufbereitung der relevanten Daten und Informationen, um daraus Erkenntnisse für Möglichkeiten und Potentiale der Optimierung von Zuverlässigkeitsstruktur und Instandhaltung zu gewinnen. Es werden daher insbesondere die technischen Gegebenheiten untersucht, d.h. die vorliegenden Schädigungsprozesse, die Verhältnisse zwischen Beanspruchung und Beanspruchbarkeit sowie die Planung der Instandhaltung in Bezug auf Zeitpunkt und Umfang. Die Entwicklung von theoretischen Grundlagen in Form der Kombination von Systemanalyse, Datenauswertung und Optimierungsmodell wird parallel zu praktischen Untersuchungen an Kraftwerksanlagen in Cottbus und Dresden durchgeführt. Neben den technischen Aspekten spielen hierbei auch wirtschaftliche Faktoren eine Rolle. Unsicherheitsfaktoren, welche die Möglichkeit der RAM-Optimierung stark bestimmen, sind sowohl unvollständige Informationen über die an den Komponenten wirklich auftretenden Belastungen und deren Belastbarkeit, als auch die Schwankungen dieser Größen. Für eine hinreichend genaue Zustandsbestimmung anhand der normalerweise über den Betrieb und die Instandhaltung verfügbaren Informationen der betreffenden oder anderer Anlagen, ist demnach die Reproduzierbarkeit verschiedener Aspekte (Betriebsbedingungen, Qualitätssicherung, Instandhaltungsarbeiten etc.) anzustreben. Daraus ergibt sich zwangsläufig die Notwendigkeit von Langzeituntersuchungen zu Schädigungsvorgängen und Parameteränderungen. Die konsequente Überwachung des Betriebsverhaltens ist dazu die Voraussetzung, d.h. eine gründliche Analyse und Quantifizierung des Zustandes, schädigungsbedingter Zustandsveränderungen und der Relevanz bzw. Wirkungsweise von betrieblichen Einflussfaktoren. Die Komplexität moderner Kraftwerksanlagen und der Einsatz von hoch belastbaren, aber auf Veränderungen ihrer Betriebsbedingungen sehr sensibel reagierenden Werkstoffen verlangt auf Hersteller- und Betreiberseite Kenntnis und Erkenntnis über die ursächlichen technischen Zusammenhänge, um Zuverlässigkeit und Instandhaltung nachhaltig als Optimierungspotential erschließen zu können. Deshalb wurde auch untersucht, wie der resultierende hohe Wissensbedarf durch eine entsprechenden Informationsfluss zwischen Hersteller und Betreiber bzw. zwischen den Betreibern gedeckt werden kann.

Techn. Universiẗat, Diss., 2002--Darmstadt.

Der integrierte Gas-Dampf (GiD-) Prozess mit Wasserrückgewinnung ist ein flexibler Kraft-Wärme-Kopplungsprozess, der die gleichzeitige Bereitstellung von Strom und Wärme teilweise entkoppeln kann. Der effiziente und sparsame Einsatz von fossilen Brennstoffen ist aus ökonomischer wie auch ökologischer Sicht geboten. Die Kraft-Wärme-Kopplung (KWK), die gleichzeitige Erzeugung von Strom und Wärme, ist eine Möglichkeit dafür. Allerdings erfordert die KWK auch eine gleichzeitige Abnahme von Strom und Wärme beziehungsweise deren Speicherung. Sowohl Strom als auch Prozessdampf lassen sich nur aufwendig und damit relativ teuer speichern, weshalb Alternativen gefragt sind. Der GiD-Prozess besteht aus einer Gasturbine mit nachgeschaltetem Abhitzedampfkessel. Die Gasturbine verfügt als Besonderheit über eine Dampfinjektion, die vor, nach oder direkt in die Brennkammer erfolgen kann. Der Abhitzekessel hat zusätzliche Wärmeübertragerflächen um das Abgas bis unter den Taupunkt abzukühlen. Somit kann ein Teil des injizierten Dampfes aus dem Abgas zurückgewonnen und wiederverwendet werden. Der in die Gasturbine injizierte Dampf führt dieser weitere Energie zu. Diese kann entweder zur Leistungssteigerung der Anlage oder zur Reduzierung des fossilen Brennstoffbedarfes genutzt werden. Die erste Option der Leistungssteigerung ist auch als Cheng-Prozess bekannt. Diese Arbeit widmet sich der weniger untersuchten zweiten Möglichkeit der Brennstoffreduzierung. Beim Vergleich des GiD-Prozesses mit verschiedenen anderen Kraftwerks-Prozessen zeigt sich, dass dieser besonders gut für industrielle Anlagen mit Prozessdampfbedarf und einer elektrischen Leistung kleiner 20 MW el geeignet ist. Im Rahmen dieser Arbeit wurde der GiD-Prozess mittels einer Versuchsanlage auf Basis einer Industriegasturbine mit 650 kW el untersucht. Die Arbeit dokumentiert verschiedene Versuchsfahrten und Untersuchungen an dieser Anlage. Die Injektion von Dampf reduziert die Schadstoffemissionen in den zulässigen Bereich und kann sehr flexibel zu einer Steigerung des Anlagenwirkungsgrades von bis zu zwei Prozent führen. Dabei wird der Dampf sehr gleichmäßig in die Versuchsanlage eingebracht, so dass keine signifikanten Änderungen der Abgastemperaturverteilung erkennbar sind. Die Überhitzung des Dampfes kann zu einer weiteren Steigerung des Anlagenwirkungsgrades führen. Die Rückgewinnung des eingebrachten Dampfes ist mit den entsprechenden Wärmeübertragern möglich. Das zurückgewonnene Wasser ist durch die Stickoxide des Abgases verunreinigt und muss entsprechend aufbereitet werden.

Die vorliegende Dissertation soll einen Beitrag für die systematische Einbeziehung der technischen Faktoren Zuverlässigkeit, Verfügbarkeit und Instandhaltung (eng. Reliability, Availability, Maintainabiliy; RAM) in die Optimierung von kraftwerkstechnischen Anlagen unter den heutigen Bedingungen der Energieerzeugung liefern. Grundlegende Veränderungen hierbei innerhalb der letzten Jahre haben einen erheblichen Einfluss auf Betrieb und Instandhaltung der Kraftwerke, auf die gestellten Verfügbarkeitsanforderungen sowie auch auf das Entwicklungstempo bei der Einführung neuer Technologien bzw. Komponenten. Die Schwerpunkte der Zielstellung liegen auf folgenden Punkten: · Entwicklung einer Methodik für die systematische Einbeziehung der RAM-Faktoren in die Optimierung; · Untersuchungen zur zustandsorientierten Instandhaltung von Kraftwerksanlagen, deren Hauptkomponenten durch neue bzw. fortschrittliche Technologien gekennzeichnet sind. Die Arbeit geht von dem Ansatz aus, die Optimierung von Kraftwerken als zustandsorientierte Entscheidungsprobleme aufzufassen. Die Charakterisierung des Zustandes von Anlagen und ihrer Komponenten, und damit ihrer Funktionsfähigkeit, wird anhand von RAM-Werten durchgeführt. Dabei werden die technischen Einflüsse auf die Funktionsfähigkeit bei deren Auslegung, deren Minderung bzw. Verlust sowie ihrer Wiederherstellung analysiert und systematisiert. Ein Kernaufgabe dieser Untersuchungen war die Erschließung und Aufbereitung der relevanten Daten und Informationen, um daraus Erkenntnisse für Möglichkeiten und Potentiale der Optimierung von Zuverlässigkeitsstruktur und Instandhaltung zu gewinnen. Es werden daher insbesondere die technischen Gegebenheiten untersucht, d.h. die vorliegenden Schädigungsprozesse, die Verhältnisse zwischen Beanspruchung und Beanspruchbarkeit sowie die Planung der Instandhaltung in Bezug auf Zeitpunkt und Umfang. Die Entwicklung von theoretischen Grundlagen in Form der Kombination von Systemanalyse, Datenauswertung und Optimierungsmodell wird parallel zu praktischen Untersuchungen an Kraftwerksanlagen in Cottbus und Dresden durchgeführt. Neben den technischen Aspekten spielen hierbei auch wirtschaftliche Faktoren eine Rolle. Unsicherheitsfaktoren, welche die Möglichkeit der RAM-Optimierung stark bestimmen, sind sowohl unvollständige Informationen über die an den Komponenten wirklich auftretenden Belastungen und deren Belastbarkeit, als auch die Schwankungen dieser Größen. Für eine hinreichend genaue Zustandsbestimmung anhand der normalerweise über den Betrieb und die Instandhaltung verfügbaren Informationen der betreffenden oder anderer Anlagen, ist demnach die Reproduzierbarkeit verschiedener Aspekte (Betriebsbedingungen, Qualitätssicherung, Instandhaltungsarbeiten etc.) anzustreben. Daraus ergibt sich zwangsläufig die Notwendigkeit von Langzeituntersuchungen zu Schädigungsvorgängen und Parameteränderungen. Die konsequente Überwachung des Betriebsverhaltens ist dazu die Voraussetzung, d.h. eine gründliche Analyse und Quantifizierung des Zustandes, schädigungsbedingter Zustandsveränderungen und der Relevanz bzw. Wirkungsweise von betrieblichen Einflussfaktoren. Die Komplexität moderner Kraftwerksanlagen und der Einsatz von hoch belastbaren, aber auf Veränderungen ihrer Betriebsbedingungen sehr sensibel reagierenden Werkstoffen verlangt auf Hersteller- und Betreiberseite Kenntnis und Erkenntnis über die ursächlichen technischen Zusammenhänge, um Zuverlässigkeit und Instandhaltung nachhaltig als Optimierungspotential erschließen zu können. Deshalb wurde auch untersucht, wie der resultierende hohe Wissensbedarf durch eine entsprechenden Informationsfluss zwischen Hersteller und Betreiber bzw. zwischen den Betreibern gedeckt werden kann.

Denna rapport är ett resultat av utförd fallstudie på Siemens Industrial Turbomachinery AB. Studien utfördes som ett DMAIC-projekt i syfte att utvärdera befintlig processtyrning och ge förslag på nya styrparametrar för att styra och övervaka tillverkningsprocessen av rotorer. En rotor skapas genom montage av turbinmodul på kompressorrotor. För att säkerställa rotorns funktionalitet mäts rotorkast kontinuerligt under tillverkningprocessen. Stora rotorkast uppstår sporadiskt vid montaget varpå nuvarande avhjälpningsmetod  innefattar tids- och kostnadskrävande demontage och återmontage av turbinmodul på kompressorrotor.  Rekommendationer har utformats och baserats utifrån historiskt analyserad data, insamlad mellan åren 2013 och 2020, 19 intervjuer och 2 workshops. Rekommendationer innefattar implementering av statistisk processtyrning. Ett av argumenten till implementeringen är att börja utvärdera effekten av genomförda förbättringsprojekt. Denna studie identifierade ett förbättringsprojekt, genomfört år 2016, som ökade andelen defekter med 454%. Då förbättringsprojektet tros bidragit med en förbättring i ett annat processteg ges rekommendationen att utvärdera helheten av implementerad förbättringsåtgärd. Avslutningsvis rekommenderas att uppdatera dagens bristfälliga processtyrning genom beräknandet av nya toleranser baserat på önskad kvalitetsnivå och eliminera diskrepanserna mellan de idag använda toleranserna. / This report is a result of a case study carried out at Siemens Industrial Turbomachinery AB. The study was conducted as a DMAIC project with the aim of evaluating existing process control and proposing new control parameters for controlling and monitoring the manufacturing pro- cess of rotors. A rotor is created by the assembly of a turbine module on a compressor rotor. In order to ensure the functionality of the rotor, rotor-runout is continuously measured during the manufacturing process. Large rotor-runouts occur sporadically during assembly and the current method to fix the abnormalities includes time- and costly disassembly and re-assembly of the turbine module on the compressor rotor. Recommendations have been designed after analysis of historical data collected between 2013 and 2020, 19 interviews and 2 workshops. Recom- mendations include implementation of statistical process control. One of the arguments for the implementation is to start evaluating the effects of completed improvement projects. This study identified an improvement project, completed in 2016, which increased the proportion of defects by 454%. Since the improvement project is believed to have contributed to an enhancement in another part of the process, a more holistic way of evaluation is needed to follow up effects of improvements projects. Finally, it is recommended to update the tolerances by calculating new ones based on the desired quality level while also eliminating the discrepancies between the different tolerances used today.

Im industriellen Bereich erfolgt die Energiebereitstellung auf thermischer, wie elektrischer Seite zunehmend mittels hocheffizienter Kraft-Wärme-Koppelung (KWK). Konventionelle KWK-Anlagen ohne Dampfturbine (DT) verfügen technologiebedingt über eine relativ starre, lastabhängige Stromkennzahl. Damit kann eine wärme- und/oder stromseitige Volatilität schlecht kompensiert werden ohne die jeweils gekoppelte Größe zu beeinflussen. Der integrierte Gas-Dampf-Prozess (GiD-Prozess) zeichnet sich aufgrund der halboffenen Prozessgestaltung durch eine anlagentechnisch sehr einfache Bauweise und damit gegenüber einer klassischen Gas und Dampf-Prozess (GuD)-Anlage geringeren Investitions- und Wartungskosten aus. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Analyse des lastabhängigen Betriebsverhaltens des integrierter Gas-Dampf-Prozess (GiD)-Prozesses unter Berücksichtigung der Teillastfähigkeit und erreichbarer Lastgradienten. Hierzu werden umfangreiche Versuchsfahrten des Versuchskraftwerks am Zentrum für Energietechnik (ZET) der TU Dresden dargelegt und analysiert. Die Versuche werden durch transiente Systemsimulationen auf Komponentenebene der Kraftwerksanlage nachvollzogen und Erkenntnisse zu dem Effekt der Lastgradienten auf heißgasbeaufschlagte Bauteile gewonnen.

The objective of this thesis is to provide an extensive description of the correlations in some of the most crucial sub-processes for hard coal fired IGCC with carbon capture (CC-IGCC). For this purpose, process simulation models are developed for four industrial gasification processes, the CO-shift cycle, the acid gas removal unit, the sulfur recovery process, the gas turbine, the water-/steam cycle and the air separation unit (ASU). Process simulations clarify the influence of certain boundary conditions on plant operation, performance and economics. Based on that, a comparative benchmark of CC-IGCC concepts is conducted. Furthermore, the influence of integration between the gas turbine and the ASU is analyzed in detail. The generated findings are used to develop an advanced plant configuration with improved economics. Nevertheless, IGCC power plants with carbon capture are not found to be an economically efficient power generation technology at present day boundary conditions.

The objective of this thesis is to provide an extensive description of the correlations in some of the most crucial sub-processes for hard coal fired IGCC with carbon capture (CC-IGCC). For this purpose, process simulation models are developed for four industrial gasification processes, the CO-shift cycle, the acid gas removal unit, the sulfur recovery process, the gas turbine, the water-/steam cycle and the air separation unit (ASU). Process simulations clarify the influence of certain boundary conditions on plant operation, performance and economics. Based on that, a comparative benchmark of CC-IGCC concepts is conducted. Furthermore, the influence of integration between the gas turbine and the ASU is analyzed in detail. The generated findings are used to develop an advanced plant configuration with improved economics. Nevertheless, IGCC power plants with carbon capture are not found to be an economically efficient power generation technology at present day boundary conditions.