DE19529514A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung der Energieversorgung in einer Kläranlage - Google Patents

Description

Viele Kläranlagen verfügen über Faulbehälter zur Behandlung des Klärschlamms einschließlich weiterer vergärbarer Substan­ zen, wie z. B. Fäkalschlamm. Das dabei entstehende Faulgas wird üblicherweise in einem Gasbehälter gespeichert und je nach Bedarf an ein Blockheizkraftwerk zur Stromerzeugung und Wärmeerzeugung abgegeben. Die erzeugte Wärme wird größten­ teils für die Beheizung der Faulbehälter und zu geringeren Teilen für die Warmwasserversorgung und Heizung der Betriebs­ gebäude der Kläranlage verwendet; überschüssige Wärme wird an die Umgebung abgegeben. Die Beheizung des Klärschlamms kann darüber hinaus mit einem öl- oder gasbefeuerten Heizkessel betrieben werden. Überschüssiges Faulgas wird abgefackelt.

Bei anderen großen Kläranlagen wird der Klärschlamm ver­ brannt, wobei über einen Dampferzeuger eine Turbine mit nach­ geordnetem Generator zur Stromerzeugung angetrieben wird.

Kläranlagen sind sowohl Energieerzeuger als auch -verbrau­ cher. Dabei bereitet die optimale Abstimmung von Stromver­ brauch/-erzeugung und -bezug und damit die Minimierung der Kosten für den Strombezug Schwierigkeiten. Es ist zwar be­ kannt, beispielsweise das erzeugte Faulgas in Niedertarif­ zeiten für den Stromverbrauch zu speichern, um es dann wäh­ rend der Hochtarifzeiten zu verstromen, jedoch fehlt den bis­ her bekannten Systemen zur Optimierung des Energiebezugs auf Kläranlagen eine ganzheitliche Prozeßbetrachtung, so daß ihr Nutzen eher gering ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei Kläranlagen eine optimale Nutzung des Klärschlamms oder des bei der Schlammfaulung gebildeten Faulgases in einem Wärmekraftwerk zu erreichen.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch das in An­ spruch 1 angegebene Verfahren und die in Anspruch 9 ange­ gebene Vorrichtung gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind den Unteransprü­ chen zu entnehmen.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden die Steuerung der Klärschlammzufuhr ein­ schließlich der Zufuhr von Fäkalschlamm und anderen Substra­ ten zur Klärschlammverbrennung oder zu den Faulbehältern und die Steuerung des Wärmekraftwerkes über die aktuell verfüg­ bare Klärschlamm- bzw. Faulgasmenge und Informationen über Niedrig- und Hochtarifzeiten gekoppelt, so daß die Teilfunk­ tionen der Kläranlage zur Schlammbehandlung und zur Energie­ erzeugung koordiniert werden. Damit läßt sich erreichen, daß zum Zeitpunkt des Wechsels von Niedrigtarif zu Hochtarif die verfügbare Brennstoffmenge, also die für die Verbrennung ver­ fügbare Klärschlamm- bzw. Faulgasmenge, maximal ist. Die Er­ mittlung der verfügbaren Brennstoffmenge aus der aktuell er­ zeugten, gespeicherten und verbrauchten Brennstoffmenge und die Steuerung der Klärschlammzufuhr und des Wärmekraftwerks in Abhängigkeit von der verfügbaren Brennstoffmenge und den Niedrig- und Hochtarifzeiten erfolgt vorzugsweise auf der Grundlage von Fuzzy-Folgerungen.

So wird bei Faulung des Klärschlammes in Faulbehältern die Klärschlammzufuhr vorzugsweise in Abhängigkeit von den Nie­ der- und Hochtarifzeiten, der ermittelten verfügbaren Faul­ gasmenge und zusätzlich in Abhängigkeit von der gemessenen Füllstandshöhe des Klärschlamms in einem den Faulbehältern vorgeschalteten Schlammspeicher auf der Grundlage von Fuzzy- Folgerungen gesteuert. Die Steuerung des Wärmekraftwerks erfolgt ebenfalls auf der Grundlage von Fuzzy-Folgerungen in Abhängigkeit von den Niedrig- und Hochtarifzeiten und der ermittelten verfügbaren Faulgasmenge. Die verfügbare Faulgas­ menge wird schließlich in Abhängigkeit von der in den Faul­ behältern erzeugten gemessenen Faulgasmenge, dem gemessenen Inhalt des Gasbehälters und den gemessenen Gasverbräuchen des Wärmekraftwerkes und gegebenenfalls eines Heizkessels auf der Grundlage von Fuzzy-Folgerungen ermittelt. Der Heizkessel kann zusätzlich zur Schlammbeheizung vorgesehen werden und wird in Abhängigkeit von der ermittelten verfügbaren Faulgas­ menge wahlweise mit dem Faulgas oder mit Öl/Erdgas befeuert. Um das Abfackeln von überschüssigem Faulgas zu vermeiden, wird die Solltemperatur zur Schlammbeheizung bei hoher ver­ fügbarer Faulgasmenge erhöht, so daß überschüssige Wärmeener­ gie in Klärschlamm gespeichert werden kann. Umgekehrt wird bei nur geringer verfügbarer Faulgasmenge die Solltemperatur zur Schlammbeheizung abgesenkt, um den Verbrauch von Heizöl im Heizkessel zu verringern.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird im folgenden auf die Zeichnung Bezug genommen, die ein Ausführungsbeispiel für eine Vorrichtung zur Steuerung der Energieversorgung in eine Kläranlage zeigt.

Aus einem Vorklärbecken 1 wird Klärschlamm diskontinuierlich abgezogen und mit Hilfe von Pumpen 2 über einen Schlamm­ schacht 3 in Faulbehälter 4 gefördert. Beim Ausfaulen des Klärschlamms in den Faulbehältern 4 entsteht Faulgas, das in einem Gasbehälter 5 zwischengespeichert und je nach Bedarf an ein Blockheizkraftwerk 6 und einen Heizkessel 7 abgegeben wird. Das Blockheizkraftwerk 6 besteht aus einem Gasmotor mit einem gekoppelten Generator zur Stromerzeugung. Zusätzlich wird über Wärmetauscher die Motor- und Abgaswärme in eine Heizungsanlage 8 eingespeist, wobei der größte Teil der Wärme für die Beheizung 9 der Faulbehälter 4 auf eine Temperatur von etwa 36°C und die Restwärme für die Warmwassererzeugung und Gebäudeheizung verwendet wird. Der Heizkessel 7 steht ständig in Bereitschaft, um durch Befeuerung mit Öl/Erdgas oder Faulgas fehlende Wärmeenergie liefern zu können.

Durch eine der bestehenden Automatisierung 11 für die Kläran­ lage überlagerte Fuzzy-Steuereinrichtung 12 wird die mittels der Pumpe 2 erfolgende Klärschlammzufuhr zu den Faulbehäl­ tern 4 in Abhängigkeit von der gemessenen Füllstandshöhe h des Klärschlamms in dem Vorklärbecken 1, von Informationen NT/HT über Niedrig- oder Hochtarifzeiten für den Stromver­ brauch, die von einem Zeitgeber 13 geliefert werden, und in Abhängigkeit von der verfügbaren Faulgasmenge G gesteuert. Dabei wird das Vorklärbecken 1 als Schlammspeicher benutzt, um in Niedrigtarifzeiten oder bei gefülltem Gasbehälter 5 den Klärschlamm bis zu einer maximal zulässigen Füllstandshöhe bevorraten zu können.

Die verfügbare Faulgasmenge G wird in einer Fuzzy-Logik 14 aus der in den Faulgasbehältern 4 erzeugten gemessenen Faul­ gasmenge G1, dem gemessenen Inhalt G2 des Gasbehälters 5 und dem Gasverbrauch G3 durch das Blockheizkraftwerk 6 und den Heizkessel 7 ermittelt. Ist dabei unter Verwendung der lin­ guistischen Ausdrücke "groß", "mittel" und "klein" die Gas­ erzeugung G1 groß und der Inhalt G2 des Gasbehälters 5 mittel und der Gasverbrauch G3 klein, so ist die verfügbare Faulgas­ menge G groß. Bei kleiner Gaserzeugung G1 und mittlerem In­ halt G2 des Gasbehälters 5 und großem Gasverbrauch G3 ist die verfügbare Faulgasmenge G mittel. Ist die Gaserzeugung G1 mittel und der Inhalt G2 des Gasbehälters 5 klein und der Gasverbrauch G3 groß, so ist die verfügbare Faulgasmenge G klein.

Das Blockheizkraftwerk 6 ist der Gasverbraucher mit höchster Priorität, da es möglichst über den gesamten Hochtarifzeit­ raum HT im Vollastbetrieb elektrische Energie erzeugen soll. Eine der bestehenden Automatisierung 1 überlagerte Fuzzy- Steuereinrichtung 15 steuert das Blockheizkraftwerk 6 während der Hochtarifzeit HT im Vollastbetrieb. In der Niedrigtarif­ zeit NT wird das Blockheizkraftwerk 6 in Abhängigkeit von der verfügbaren Faulgasmenge G in der Weise betrieben, daß zum Zeitpunkt des Wechsels von Niedrigtarif zu Hochtarif die ver­ fügbare Faulgasmenge G maximal ist. Durch eine entsprechende Schalthysterese in der Steuerung wird ein kurzzeitiges An- und Abfahren des Blockheizkraftwerkes 6 verhindert. Ist z. B. die verfügbare Faulgasmenge G mittel und die Zeit bis zum Wechsel von der Niedrigtarifzeit NT auf die Hochtarifzeit HT klein, dann wird das Blockheizkraftwerk 6 gedrosselt.

Durch eine weitere Steuereinrichtung 16 erfolgt in Abhängig­ keit von der verfügbaren Faulgasmenge G und dem Betrieb des Blockheizkraftwerkes 6 eine Umschaltung des Heizkessels 7 von Öl- auf Gasbetrieb oder umgekehrt. Zusätzlich wird der Soll­ wert von 36°C für die Beheizung 9 der Faulbehälter 4 bei großer verfügbarer Faulgasmenge G um etwa 1°C erhöht, um durch die Sollwerterhöhung überschüssige Energie als gering­ fügige Temperaturerhöhung in den Faulbehältern 4 zu speichern und somit nicht überschüssiges Faulgas abfackeln zu müssen. Umgekehrt wird bei nur geringer verfügbarer Faulgasmenge G der Sollwert von 36°C für die Beheizung 9 der Faulbehälter 4 reduziert, um damit den Einsatz von Öl im Heizkessel 7 zu verringern.

Durch die überlagerte Koordination der Teilfunktionen der Kläranlage mittels Fuzzy-Steuerung wird es möglich, das Ab­ fackeln von überschüssigem Faulgas zu vermeiden bzw. zu ver­ mindern und den Einsatz von Öl auf das absolut notwendige Maß zu reduzieren sowie die Erzeugung von elektrischer Energie in der Hochtarifzeit zu steigern.

Claims (10)

1 Verfahren zur Steuerung der Energieversorgung in einer Kläranlage, in der aus Klärschlamm oder nach seiner Vergärung erhaltenem Faulgas bestehender Brennstoff zwischengespeichert und zur elektrischen Stromerzeugung in einem Wärmekraftwerk (6) verbrannt wird, wobei die Klärschlammzufuhr und die Stromerzeugung in dem Wärmekraftwerk (6) jeweils in Abhängig­ keit von der durch Erfassung der aktuell erzeugten, gespei­ cherten und verbrauchten Brennstoffmenge (G1, G2, G3) ermit­ telten verfügbaren Brennstoffmenge (G) sowie in Abhängigkeit von Niedrig- und Hochtarifzeiten (NT/HT) für den Stromverbrauch gesteuert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Steuerung auf der Grundlage von Fuzzy-Folge­ rungen erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß bei Vergärung des Klärschlammes in Faul­ behältern (4) die Klärschlammzufuhr zusätzlich in Abhängig­ keit von der gemessenen Füllstandshöhe (h) des Klärschlamms in einem den Faulbehältern (4) vorgeschalteten Schlammspei­ cher (1) gesteuert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, daß das Wärmekraftwerk (6) ein Blockheizkraftwerk ist und daß zur zusätzlichen Wärmeerzeugung, insbesondere zur Schlammbeheizung, ein Heizkessel (7) in Abhängigkeit von der ermittelten verfügbaren Faulgasmenge (G) wahlweise mit dem Faulgas oder mit Öl befeuert wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich­ net, daß die Solltemperatur zur Schlammbeheizung (9) bei hoher verfügbarer Faulgasmenge (G) erhöht und bei geringer verfügbarer Faulgasmenge (G) abgesenkt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Klärschlammzufuhr in Abhängig­ keit von den Niedrig- und Hochtarifzeiten (NT/HT), der ermit­ telten verfügbaren Faulgasmenge (G) und der gemessenen Füll­ standshöhe (h) des Klärschlamms auf der Grundlage von Fuzzy- Folgerungen gesteuert wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmekraftwerk (6) in Abhängigkeit von den Niedrig- und Hochtarifzeiten (NT/HT) und der ermittelten verfügbaren Faulgasmenge (G) auf der Grund­ lage von Fuzzy-Folgerungen gesteuert wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die verfügbare Faulgasmenge (G) in Abhängigkeit von der in den Faulbehältern (4) erzeugten ge­ messenen Faulgasmenge (G1), dem gemessenen Inhalt (G2) des Gasbehälters (5) und den gemessenen Gasverbräuchen (G3) des Wärmekraftwerkes (6) und gegebenenfalls des Heizkessels (7) auf der Grundlage von Fuzzy-Folgerungen ermittelt wird.

9. Vorrichtung zur Steuerung der Energieversorgung in einer Kläranlage mit einem Wärmekraftwerk (6) zur elektrischen Stromerzeugung durch Verbrennung von aus Klärschlamm oder aus nach seiner Vergärung erhaltenem Faulgas bestehendem und in einer Speichereinrichtung zwischengespeichertem Brennstoff und mit Steuereinrichtungen (12, 14, 15) zur Steuerung der Klärschlammzufuhr und der Stromerzeugung in dem Wärmekraft­ werk (6) jeweils in Abhängigkeit von der durch Erfassung der erzeugten, gespeicherten und verbrauchten Brennstoffmenge (G1, G2, G3) ermittelten verfügbaren Brennstoffmenge (G) sowie in Abhängigkeit von Niedrig- und Hochtarifzeiten (NT/HT) für den Stromverbrauch.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Steuereinrichtungen (12, 14, 15) jeweils eine Fuzzy-Logik enthalten.