Was tun, wenn man schnell Strom braucht und keine Sonne scheint oder der Wind nicht weht? Die Antwort: Moderne Gaskraftwerke installieren. Sie überbrücken die Versorgungslücke, da sie schnell hochfahren und ihre Leistung in einem weiten Bereich variieren können. Wie intelligente Schwingungsmesstechnik diese Kraftwerke unterstützt, das erfahren Sie in diesem Artikel.

Der kombinierte Gas- und Dampfturbinenbetrieb verfügen über einen hohen Wirkungsgrad bei gleichzeitig geringem CO2-Ausstoß – circa 60 Prozent weniger als aus Braunkohlekraftwerken. Das aktuell modernste Kraftwerk von diesem Typ steht nördlich von München und hat einen Wirkungsgrad von 60,75 Prozent. Die weltweit leistungsstärkste Maschine der Firma Siemens, die Gasturbine SGT5-8000H mit einer elektrischen Leistung von über 375 MW, ist dort im Einsatz. Um die Verbrennungseffizienz seiner Kraftwerke kontinuierlich zu optimieren, hat Siemens ein hochmodernes Testcenter, das Clean Energy Center (CEC) in Ludwigsfelde nahe Berlin, errichtet. Einzelne Brennkammern der Gasturbine werden unter hohem Druck und vorgeheizter Luft oder Gas – das heißt unter realistischen Bedingungen – betrieben. Neben den Emissionen sind thermoakustische Phänomene beziehungsweise Verbrennungsschwingungen in der Brennkammer und die dynamischen Materialbelastungen Teil der Untersuchung. Zur Messung dieser Signale kommen Hochtemperaturdruck- und -beschleunigungsaufnehmer, Dehnmessstreifen und diverse andere Sensoren zum Einsatz.
Nun ist ein besonderes Schwingungsmessgerät Teil der fortschrittlichen Technologie im Ludwigsfelder CEC: der IfTA DynaMaster. Er ist eine Weiterentwicklung basierend auf den bewährten IfTA Argus-Systemen, die seit über einem Jahrzehnt an verschiedenen Gasturbinentypen wie der SGT5-8000H weltweit im Einsatz sind. Fünf entscheidende Anforderungen lassen sich durch die bereits erprobten Integrationen herausstellen.

Jeder Sensor passt an jeden Eingang

Herzstück des Systems ist die IfTA AD4Pro, eine vierkanalige dynamische Messkarte mit universellen Messeingängen. Unterstützt wird auf dieser Karte je Kanal die Messung von Spannungs- und Stromsignalen. Darüber hinaus erlaubt ein integrierter differentieller Ladungsverstärker den direkten Anschluss von piezoelektrischen Hochtemperaturdruck- und -beschleunigungsaufnehmern. Ebenfalls enthalten ist ein Messverstärker für Dehnmessstreifen. An diesem können Viertel-, Halb- und Vollbrücken direkt angeschlossen werden. Weiterhin werden piezoresistive Druck- und Beschleunigungssensoren, wie zum Beispiel Kulite-Sensoren, unterstützt und für IEPE-Sensoren steht eine entsprechende Speisung zur Verfügung. Ausgewählt wird der gewünschte Eingangsmodus einfach per Software.

Fehlerquellen vermeiden und Kosten reduzieren

Um störende Netzschleifen zu vermeiden, ist jeder Kanal der Karte potentialgetrennt. Dies erlaubt die gemeinsame Messung von Sensoren an Orten mit hohen Potentialunterschieden wie im Umfeld von großen Testanlagen, zum Beispiel des CEC. Die Potentialtrennung ist dabei so ausgeführt, dass sie sich nicht negativ auf die Signalqualität auswirkt. Damit wird insgesamt ein Signalrauschabstand von bis zu 145 dB erreicht.
Die Integration der Verstärker reduziert Kosten und vermeidet Fehlerquellen durch einen wesentlich vereinfachten Messaufbau. Änderungen der Verstärkereinstellungen werden automatisch durch das System mitprotokolliert und sind somit immer nachvollziehbar. Eine potentiell fehlerträchtige händische Dokumentation externer Verstärkungsfaktoren ist nicht mehr notwendig. Zudem reduziert sich der jährliche Kalibrieraufwand erheblich.

Flexibilität durch Modularität

Alle Teststände des CECs sind mit IfTA DynaMastern mit jeweils 32 Kanälen ausgestattet. Die Kanäle werden für phasensynchrone Messungen simultan mit 24 Bit und bis zu 51,2 kHz abgetastet. Neben den schnellen Eingängen können zusätzlich 32 langsame Spannungs- oder Stromsignale erfasst werden. Für digitale Signale stehen 16 Eingänge zur Verfügung. Die schnellen analogen Eingänge können über gepufferte Ausgänge abgegriffen werden.
Abgerundet wird das Schwingungsmesssystem durch eine leistungsstarke modulare Softwareplattform. Drehscheibe des Messdatenhandlings ist der IfTA Host, der direkt auf dem IfTA DynaMaster läuft. Er erlaubt wahlweise die gesteuerte oder automatische Speicherung der Daten auf dem integrierten Speichermedium, wo zwischen SSD oder HD gewählt werden kann. Neben den Schwingungsdaten kann der IfTA Host auch Daten über OPC Classic, UA oder Datasocket verteilen und empfangen.
Das Zusammenführen von allen Datenströmen aus unterschiedlichen Quellen ermöglicht das schnelle und effiziente Auswerten komplexer Zusammenhänge, wie z.B. die Auswirkung von Umgebungsparametern oder Brennstoffzusammensetzung auf Verbrennungsinstabilitäten. Aus hohen Abtastraten und großer Kanalanzahl resultieren bei dieser Anwendung enorme Datenmengen, sodass das CEC sehr spezielle Anforderungen an die Fähigkeiten der Datenauswertung stellt. Neben den Rohdatenströmen werden auch über der Zeit zusammengefasste Datenströme erzeugt. Diese ermöglichen eine schnelle Übersicht über lange Zeiträume.

Zeitgemäße Datenanalyse

Die im System einsetzbare Datenanalysesoftware IfTA Trend ist ein Tool, mit dem sich selbst Dateien mit 10 GB schnell laden und analysieren lassen. Neben dynamischen Daten und Umgebungs- sowie Prozessparametern speichert der IfTA DynaMaster auch im System berechnete Werte wie Peak-to-Peak, RMS und ganze Spektren. Die Auswertung dieser unterschiedlichen Größen geschieht in spezialisierten Plots wie beispielsweise Spektrogramm, Nyquist- oder Bodeplot. In der gleichen Softwareumgebung überwachen mehrere Testingenieure die Online-Messdatenströme während des Messlaufs in individuell konfigurierbaren Ansichten. Dazu verbindet sich das IfTA Trend auf dem Arbeitsplatzrechner mit dem IfTA DynaMaster.

Prüfstandschutz leicht gemacht

Um einen Schutz des Prüfstands im Falle von hohen Schwingungsamplituden zu gewährleisten, wurde der IfTA DynaMaster im CEC mit einer echtzeitfähigen Recheneinheit (DSP) und Ausgangskarten zum IfTA Argus OMDS hochgerüstet. Das modulare Konzept erlaubt dabei eine freie Wahl der gewünschten Ausgangskarte. Es stehen zum Beispiel analoge und digitale Ausgänge sowie Profibus zur Kommunikation mit dem Prüfstand-Kontrollsystem zur Verfügung.
Viele Fehlerquellen konventioneller Messsysteme beseitigt der IfTA DynaMaster und minimiert so – nicht nur im CEC –- das Risiko von fehlerhaften Messungen bei aufwändigen Kampagnen. Dynamische Messsysteme, die unverzichtbaren Partner auf dem Weg zur sauberen Energie.