Ferndiagnose der Turbinen in einem Geothermie Kraftwerk

Einführung

In Zusammenarbeit mit ISE Srl, dem italienischen Partner für industrielle Systemüberwachungen, hat Dewesoft eine innovative Lösung für die Erfassung und Analyse von Felddaten entwickelt. Es handelt sich um eine Zeitreihen-Datenbank, die perfekt in die Datenerfassungssoftware DewesoftX ntegriert ist. Mit einer neuen Speicherarchitektur erfüllt sie die Kundenanforderungen in Bezug auf Leistung, Datensicherheit, Speicherfähigkeit und Benutzeroberfläche.

Italien spielt in der geothermischen Energieerzeugung eine sehr wichtige Rolle in Europa. Eines der innovativsten Unternehmen im Bereich der erneuerbaren Energien ist die Firma ENEL Green Power, ein italienisches multinationales Unternehmen mit Sitz in Rom.

Enel Green Power - Larderello in der Toskana

Enel Green Power ist in über 30 Ländern auf allen fünf Kontinenten vertreten. Das Unternehmen erzeugt Strom und Energie aus Wasserkraft, Wind, Sonne, Biomasse und geothermischen Quellen. Allein in der Toskana betreibt ENEL Green Power 35 geothermische Kraftwerke auf geothermischen Feldern mit einer Gesamtkapazität von etwa 776,2 MW. Diese Kapazität kann mehr als 30% des regionalen Verbrauchs decken.

Der Standort Larderello in der Toskana ist seit der Antike für seine heißen Quellen bekannt. 1818 begann ein aus Frankreich stammender Kaufmann, Francesco Giacomo Larderel, in der Nähe des Dorfes Montecerboli mit den Arbeiten an der weltweit ersten Anlage, die geothermisches Wasser für die Gewinnung von Borsäure nutzen kann.

Die Nutzung der Erdwärme zur Erzeugung geothermischer Elektrizität begann 1904, als es Prinz Piero Ginori Conti gelang, die aus der Erde kommende Wärme in einen Dynamo zu leiten, der fünf Glühbirnen betreiben konnte. Das erste geothermische Kraftwerk der Welt wurde 1913 fertiggestellt und konnte bis 1916 Energie erzeugen, um das Dorf Larderello, die nahe gelegene Stadt Volterra und das italienische elektrische Eisenbahnsystem mit Strom zu versorgen.

Heute ist der Standort Larderello ein wichtiges globales Zentrum für geothermische Energie und versorgt rund eine Million italienische Haushalte mit sauberer und nachhaltiger Elektrizität.

Geothermische Energiegewinnung

Geothermische Energie wird in der Erde erzeugt und gespeichert. Diese Energie der Erdkruste stammt aus der ursprünglichen Entstehung des Planeten und aus dem radioaktiven Zerfall von Materialien. Der Temperaturunterschied zwischen dem Kern des Planeten und seiner Oberfläche bewirkt eine kontinuierliche Energieleitung in Form von Wärme vom Kern zur Oberfläche.

Geothermische Energie gilt als nachhaltig und hat aufgrund ihrer geringen Emissionen auch das Potenzial, die globale Erwärmung einzudämmen. Die geothermischen Ressourcen der Erde sind theoretisch mehr als ausreichend, um den gesamten Energiebedarf der Menschheit zu decken, aber bisher wird nur ein sehr kleiner Teil davon genutzt. Obwohl es sich bei der Geothermie um eine erneuerbare Energiequelle handelt, werden sich die heißen Gesteine unter der Oberfläche irgendwann abkühlen. 

Im Jahr 2012 wurde in Larderello die vollständig modernisierte geothermische Anlage Rancia 2 in Betrieb genommen. Die Anlage mit einer installierten Nettokapazität von 17 MW kann etwa 150 GWh pro Jahr erzeugen, wodurch der Ausstoß von vielen tausend Tonnen CO2 vermieden und viele tausend TOE (Tons of Oil Equivalent) an fossilen Brennstoffen pro Jahr eingespart werden können.

Geothermische Kraftwerke

Es gibt drei Haupttypen von geothermischen Energieanlagen, die auf leicht unterschiedliche Weise Strom erzeugen:

• Trockendampf Anlagen

• Entspannungsdampf Anlagen

• Binärkreislauf Anlagen

Trockendampf Anlagen wie Rancia 2 sind am häufigsten anzutreffen und machen etwa die Hälfte aller installierten geothermischen Anlagen aus. Sie arbeiten, indem sie heißen Dampf aus unterirdischen Reservoirs direkt in Turbinen leiten, die die Generatoren zur Stromerzeugung antreiben. Nach dem Antreiben der Turbinen kondensiert der Dampf zu Wasser und wird über das Injektionsbohrloch zurück in die Erde geleitet.

Entspannungsdampf Anlagen unterscheiden sich von Trockendampf Anlagen, indem sie heißes Wasser statt Dampf direkt an die Oberfläche in einen "Entspannungsbehälter" mit einer viel niedrigeren Temperatur pumpen, wodurch die Flüssigkeit schnell in den Dampf "entspannt" wird. 

In den Anlagen mit binärem Kreislauf wird das Wasser oder der Dampf von unten durch einen Wärmetauscher gepumpt, wo es eine zweite verdampfende Flüssigkeit erhitzt. Der Dampf treibt die Turbinen an.

SmartGEO Projekt

Gegenwärtig wurde bei Rancia 2 ein Innovationsprojekt ins Leben gerufen, das digitale Technologien und das industrielle Internet sowie andere Themen umfasst, um die Anlagenleistung zu überwachen und vorherzusagen. 

Das SmartGEO Projekt zielt darauf ab, Ferndiagnosen für geothermische Anlagen zu erproben, zu entwickeln und in Betrieb zu nehmen. Mit dem europäischen Finanzierungsprogramm POR-FESR brachte die Region Toskana lokale Unternehmen und Forschungszentren zusammen und erhielt dafür eine Gesamtfinanzierung von 3,3 Millionen Euro.

Das Projekt ist eine Zusammenarbeit zwischen den akademischen Institutionen, der Scuola Superiore Sant’Anna (SSSA), der Universität Florenz (UniFI) und ENEL Green Power zusammen mit dem führenden italienischen Unternehmen für Industrieautomation SDI und dem Ingenieurunternehmen ISE Srl, das Dienstleistungen und Lösungen für die Wartung von Industrieanlagen anbietet. Ein konkretes Beispiel für die Synergie zwischen Universitäten und Industrie.

Fernüberwachung und Diagnose der Anlage

Die erste Phase des SmartGEO-Projekts begann 2017, als in der geothermischen Anlage Rancia 2 die Sensoren und Systeme in den wichtigsten Einheiten, von den Brunnen, dem Dampfsammelnetz, den Wiedereinspritzpumpen, den Rohrleitungen bis zu den Dampfreinigungssystemen und dem AMIS-System, installiert wurden.

Wichtigste Ziele:

Vorausschauende Wartung

• Vermeidung von Produktionsunterbrechung und Leistungsverlusten.

• Diagnostizierung von gefährlichen Störungen in Systemen.

Echtzeit Überwachung des Dampfnetzes

• Optimierung der Dampfverteilung.

• Umweltschutz und Diagnose von möglichen Brüchen.

Zusätzliche vorausschauende Überwachung und Wartung

• Erhöhung der Analysekapazität.

• Vermeidung von Brüchen durch vorbeugende Wartung.

Ein Ökosystem der Entwicklung und Ausführung von Kontroll- und Prognose Algorithmen

• Wissenschaftlerfreundliche Datenplattform

• Möglichkeit, Tausende von Optimierungsalgorithmen und Prognosen in Echtzeit durchzuführen

• Native Integration mit der Osisoft Historian Datenbank, die zur Speicherung von Echtzeitdaten verwendet wird

Der Einsatz von Werkzeugen für die Ferndiagnose ermöglicht die Integration und Vereinfachung der bereits in einer Anlage vorhandenen Steuerungs-, Automatisierungs- und Diagnosesysteme und bietet darüber hinaus die Möglichkeit, die Anlagenleistung zu verbessern.

Diese Technologie für Diagnosen beinhaltet:

• Zustandsüberwachung: neue Hilfssensoren und innovative Messtechniken

• D&O Plattform: Prozessprognose (weiche Echtzeit) & Training und Kraftwerkssteuerung (harte Echtzeit)

• Forschung: F&E von innovativen Algorithmen (KI, maschinelles Lernen, adaptive Steuerung)

• App Interface: Überwachungs- und Konfigurationsschnittstellen
  Dewesoft Datenerfassungssysteme

Nach einer Marktanalyse wurde die Dewesoft Datenerfassungstechnologie für die Felddatenerfassung (DAQ) und Signalanalyse ausgewählt. Es wurden mehrere Signale sowohl von den Hauptturbinen als auch von den Hilfssystemen abgefragt, aus denen das geothermische Kraftwerk besteht.

Schließlich wurde das gesamte Kraftwerk Rancia 2 mit einer Kombination aus KRYPTON Messmodulen und SIRIUS HD Modulen überwacht. KRYPTON übernahm im Feld die Kühlung der Turmsysteme und Überwachung der Ventilatoren und Pumpen. SIRIUS übernahm die Überwachung der Hauptturbine und des Generators.

Diese rotierenden Maschinen - die Turbine und der Generator - werden mit erstklassigen Schutzsystemen wie der Bently Nevada 3500, dem für Schutz und Diagnose geeigneten Schwingungsüberwachungssystem, gesteuert. Ziel solcher komplexen Systeme ist es, alle grundlegenden Maschinenparameter zu überwachen und im Gefahrenfall den Betrieb sofort zu stoppen.

ENEL benötigte eine Lösung, die Signale an den Systemeingängen von Bently Nevada einzulesen um diese in einer flexibleren Umgebung verwenden zu können, in der bekannte und innovative Algorithmen in Kombination zur verbesserten Analyse des Anlagenstatus angewendet werden. 

Damit wurde die Möglichkeit erschaffen, jegliche Fehlfunktionen der Maschinen vorhersagen zu können und damit die Energieerzeugung und den Wirkungsgrad des Kraftwerks zu optimieren. 

Zum Zeitpunkt der Anfrage konnten wir alle erforderlichen technologischen Anforderungen erfüllen. Unsere Herausforderung lag in der Schaffung einer Dateninfrastruktur, die über Jahrzehnte hinweg kontinuierlich Daten erfasst, verschiedene Ergebnisse vergleicht und den Support Teams die Möglichkeit gibt, mit der Analyse zu interagieren, trotz der Tatsache, dass die Daten auf einer streng gesicherten Produktionsumgebung abgelegt sind.

Zeitreihen-Datenbank

Das Problem der Schaffung einer Dateninfrastruktur für jahrelange Datenerfassung lösten wir durch eine innovative Idee: Eine Historian-Zeitreihen Datenbank, die perfekt in der DewesoftX Software für Datenerfassung (DAQ), Datenaufzeichnung und Datenanalyse integriert ist.

Unsere Systeme wurden nun vor Ort neben dem Schwingungsüberwachungssystem von Bently Nevada 3500 installiert und erfassen die gleichen Signale. Die Datenspeicherung wurde durch die neue Datenbankarchitektur erweitert, die in der Lage ist, alle Kundenanforderungen zu erfüllen. 

Die Datenbank wurde in unserer neuen Echtzeitumgebung (Dewesoft RT) entwickelt, die auf jeder beliebigen Hardware gehostet werden kann. Sie bietet eine skalierbare und verteilte Architektur, während die Daten von der DewesoftX DAQ Software erfasst und lokal mit modernsten Diagnosewerkzeugen für rotierende Maschinen verarbeitet werden.

Unser Partner für industrielle und prädiktive Überwachungsanwendungen, ISE Srl, kümmerte sich um die intelligenten Datenverarbeitungsalgorithmen und entwickelte einige raffinierte Setups in der Dewesoft Software, die zu einer Reihe von klaren und leicht verwaltbaren Benutzeroberflächen für die Anlagenüberwachung führten:

• Verdampfer Diagnose

• Überwachung der PAE Pumpen

• Analyse der PAEPumpenlager

• Oberwellentracking

• Lüfterüberwachung

• Turbinen- und Generatoranalyse

• Turbinenbahn Analyse

• Generatorbahn Analyse

• Kompressor-FFT-Analyse

• Kompressor- und Generator Wasserfalldiagramme

• Wasserfallanalyse des gesamten Produktions-Schachtes.

Die Wahl der Dewesoft SIRIUS und Krypton DAQ Hardwarelösung n Verbindung mit der hohen Flexibilität der technologischen Softwareplattform von Dewesoft bot die Möglichkeit, verschiedene Front-End-Module entsprechend dem technischen Hintergrund der ISE und den spezifischen Bedürfnissen der Enel-Techniker zu erstellen, die diesen Grad an Flexibilität von anderen Plattformen bisher nicht kannten.

Fazit

Eine Schlüsselkomponente des Projekts war die Einführung einer innovativen grafischen Mensch-Maschine-Schnittstelle, die es den Anwendern ermöglichte, schnell die besten Korrekturergebnisse zu ermitteln. Unser Engagement für das Projekt, die starken Bemühungen von Dewesoft HQ und die Innovationskraft von ISE brachten eine ausgezeichnete Lösung auf den Markt.

In der zweiten Phase des Projekts wird das Ferndiagnose-Modell in anderen zusätzlichen Zwillingseinheiten repliziert, was zu einer Gesamtproduktionssteigerung von 12 GWh pro Jahr führen wird. In der dritten Phase des Projektes wird es mit Fachwissen und Know-how möglich, eine zweite Generation des Systems zu entwerfen. Das System könnte in Anlagen eingesetzt werden, die mit anderen erneuerbaren Energiequellen betrieben werden können.

Kurz nach der Installation des Systems waren die Ingenieure von ENEL Green Power in der Lage, einige potenziell gefährliche mechanische Phänomene in den Verdampfertürmen zu erkennen - ein echter Erfolg für unser Team. 

Dewesoft Hauptbildschirm für die Verdampferdiagnose

Bildschirm zur Überwachung der PAE-Pumpe

Analyse der PAE-Pumpenlager (mit Hüllkurvenerfassungsalgorithmus)

Bildschirm zum Tracking der Oberschwingungen

Hauptbildschirm der Analyse der Ventilatoren

Startbildschirm Turbinen- und Generator-Analyse 

Hauptbildschirm Turbinenanalyse 

Orbit-Graph der Wellenschwingungsmessung an einer Turbine

Bildschirm Generator-Orbit-Analyse

Bildschirm Kompressor-FFT-Analyse

Bildschirm mit Verdichter- und Generator-Wasserfalldiagrammen

Wasserfallanalyse des gesamten Produktionsschachtes