Verfügbarkeit der Anlagenkomponenten Dampferzeuger und

Berliner
Abfallwirtschafts- und Energiekonferenz
Optimierung der Abfallverbrennung
Energieeffizienz, Qualitätsmanagement
und Verfügbarkeit
27. und 28. Januar 2010
Verfügbarkeit der Anlagenkomponenten
Dampferzeuger und Turbine und deren
Einfluss auf die Rentabilität.
Schwaben-ING Stuttgart GmbH
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Inhaltsverzeichnis
1.0 Einleitung ............................................................................................................................. 3
2.0 Grundlagen der Speisewasserchemie ................................................................................... 4
2.1 Flüchtige Alkalisierung .................................................................................................... 4
2.2 Feststoff-Alkalisierung mit Natronlauge (NaOH)............................................................ 4
2.3 Feststoff-Alkalisierung mit Trinatriumphosphat (Na3PO4).............................................. 5
2.4 Feststoff-Alkalisierung mit Lithiumhydroxid (LiOH) ..................................................... 5
2.5 Kombinierte Feststoff-Alkalisierung mit Überlagerung von Ammoniak (NH3) und
Hydrazin (N2H4)..................................................................................................................... 5
3.0 Ursachen von Erosionskorrosion in Verdampfersystemen von NaturumlaufDampferzeugern ......................................................................................................................... 7
4.0 Vorgänge bei der Erzeugung von Sattdampf ..................................................................... 12
4.1 Vorgänge beim Sieden ................................................................................................... 12
4.2 Salze im Kesselwasser .................................................................................................. 13
4.3 Grenzschichtvorgänge in Siederohren............................................................................ 13
4.4 Verunreinigung des Dampfes bei seiner Entstehung ..................................................... 13
5.0 Aufgabe der Kesseltrommel............................................................................................... 15
5.1 Dimensionierung der Dampftrommel ............................................................................ 15
5.2 Berechnung des Dampfraum- und Wasserspiegelbelastung von Kesseltrommeln........ 16
5.3 Gestaltung der Trommeleinbauten ................................................................................. 16
5.3.1 Gestaltung der Trommelleitbleche .......................................................................... 17
5.3.2 Zusammenwirkung von Trommelleitblechen und Demistern................................. 17
5.3.3 Auslegung und Wirkungsweise des Demister........................................................ 18
5.3.4 Anzahl und Auslegung der Sattdampfentnahmestutzen.......................................... 19
5.4 Restfeuchte im Sattdampf nach der Kesseltrommel ...................................................... 20
5.5
Bestimmung der Dampf-Restfeuchte nach der Kesseltrommel ............................... 20
5.6 Dampfreinheit des HD-Dampfes.................................................................................... 21
5.6.1 Chemische Reinheit des HD-Dampfes.................................................................... 21
5.6.2 Mechanische Reinheit des HD-Dampfes ................................................................ 22
6.0 Auswirkungen auf den Dampfturbinenprozess .................................................................. 23
6.1 Erosion in Dampfturbinen durch feste Bestandteile ...................................................... 23
6.2 Ablagerungen in Dampfturbinen.................................................................................... 23
6.3 Erosion in Dampfturbinen durch flüssige Bestandteile.................................................. 25
6.4 Wirkungsgrade von Dampfturbinen............................................................................... 25
6.5 Einfluss auf die Rentabilität ........................................................................................... 25
6.5.1 Thermische Kraftwerke........................................................................................... 25
6.5.2 Müllkraftwerke........................................................................................................ 27
7.0 Resümee und Zusammenfassung ....................................................................................... 28
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1.0 Einleitung
Über die Verfügbarkeitserhöhung von Dampferzeugern und Dampfturbinen sind in der
Vergangenheit zahllose Veröffentlichungen erschienen. Im Focus waren hierbei hauptsächlich
Maßnahmen wie:
•
•
•
•
Vorbeugende Instandhaltung
Ergebnisorientierte Instandhaltung
diverse Diagnosen
Management-Systeme und Maßnahmen, etc.
Im Rahmen dieses Vortrages wird ein ganz anderer Weg beschritten. Im Folgenden wird der
Versuch unternommen die Verbindung zwischen Dampferzeuger und Dampfturbine näher zu
betrachten. Hierbei werden nachfolgende Punkte näher betrachtet:
•
•
•
•
•
•
•
Speisewasser und -konditionierung
Kesselwasser
Verdampfungsvorgänge
Flüchtigkeit von Salzen und Kieselsäure
Auslegung der Dampftrommel und deren Auswirkung auf die Wasser-Dampftrennung
Dampfreinheit
Turbinenversalzung und der damit verbundenen Beeinträchtigung der Verfügbarkeit
und wirtschaftliche Auswirkungen
Aufgrund der großen Bandbreite werden hierbei lediglich Vorgänge bei NaturumlaufDampferzeugern betrachtet, die vorrangig im Bereich von Industrie- und Heizkraftwerken
zum Einsatz kommen. Auf die Betriebs- und Grenzwerte von Speise- und Kesselwasser sowie
die Dampfqualität wird nicht im Einzelnen eingegangen. Entsprechende Werte sind den
einschlägigen Regelwerken wie TRD, EU-Normen, VGB R450L, etc. zu entnehmen.
Schwerpunkt des Aufsatzes sind die Abscheidevorgänge in der Dampftrommel durch die
verwendeten Einbauten, wie Abscheidebleche und Demistern, den daraus resultierenden
Strömungsvorgängen und Vorgaben für die Demisterauslegung.
Gerade in der Kombination dieser Auslegungskriterien ist eine Vielzahl von Modifikationen
je nach Kesselhersteller mit unterschiedlichem Ergebnis zu verzeichnen.
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2.0 Grundlagen der Speisewasserchemie
Wie in der Einleitung angedeutet sind die Betriebs- und Grenzwerte für Speise- und
Kesselwasser sowie für die Dampfqualität in den entsprechenden Regelwerken
zusammengestellt und können dort entnommen werden.
Insbesondere die VGB-Richtlinie erwähnt hier neben dem Normalwert für den Dauerbetrieb
(N = Normalbetriebswert) drei Action-Levels
•
•
•
AL1, langfristige Schäden sind zu erwarten
AL 2, kurz- und langfristige Schäden sind zu erwarten
AL 3, unmittelbare Schäden sind zu erwarten,
die für die Betriebsführung bei nicht bestimmungsgemäßem Betrieb und bei Störungen von
Wichtigkeit sein dürften. Gemäß den oben erwähnten Regelwerken sind unterschiedliche
Möglichkeiten der Speise- und Kesselwasserkonditionierung gegeben.
Unter einer Konditionierung von Speise- und Kesselwassers ist die Zugabe von Chemikalien
zu verstehen, die benötigt werden, um die für den jeweiligen Dampferzeugertyp spezifizierten
Speisewasserparameter einzustellen. Eine Bewertung der Konditionierung ist den
Regelwerken nicht zu entnehmen.
Eine besondere Bedeutung besitzen somit die Angaben des Herstellers des Dampferzeugers,
z. B. in den Betriebsvorschriften, da der Hersteller für die Garantie aufzukommen hat.
Da eine Vielzahl von Schadensfällen, verursacht durch nicht angepasste Speisewasserchemie
und Konditionierung gepaart mit ungenügender Phasentrennung in der Dampftrommel, erst
nach Ende der Garantiezeit auftritt, können nachfolgende Überlegungen hilfreich sein.
2.1 Flüchtige Alkalisierung
Bei der Konditionierung mit Ammoniak (NH3), auch als AVT-Fahrweise ( all volantile
treatment) bekannt, lässt sich, insbesondere bei höheren Kesseldrücken und
Wärmestromdichten nicht der erforderliche pH-Wert im Kesselwasser einstellen. Zahlreiche
Schadensfälle durch Erosionskorrosion in Verdampfern sind aus der Praxis bekannt, die durch
nachträgliche Umstellung auf Feststoffalkalisierung zu beheben waren. Einzelheiten zur
Erosionskorrosion sind im Kapitel 3.0 beschrieben.
2.2 Feststoff-Alkalisierung mit Natronlauge (NaOH)
Durch eine Alkalisierung des Speise- bzw. Kesselwassers mit Natronlauge (NaOH)
lassen sich für alle Kesseldrücke ausreichend hohe Schutz-pH-Werte einstellen. Bei
fehlerhafter Zugabe (Überdosierung) und Aufkonzentration von NaOH in Spalten, Rissen und
sonstigen Fehlstellen im Kessel kann es zur Spannungsrisskorrosion kommen.
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2.3 Feststoff-Alkalisierung mit Trinatriumphosphat (Na3PO4)
Mit Trinatriumphosphat (Na3PO4) lassen sich analog zur Natronlauge ausreichend hohe
Schutz-pH-Werte einstellen. Obwohl Trinatriumphosphat in wässriger Lösung ebenfalls zu
Na+- und OH--Ionen hydrolisiert, sind Schadensfälle durch Spannungsrisskorrosion nicht
bekannt. Bis heute ist dieses Phänomen bei Wasserchemikern in der Diskussion. Als mögliche
Ursache wird eine Passivierung bzw. Phosphatierung von Rissen und Fehlstellen genannt.
Nachteilig bei hohen pH-Werten ist das Auftreten einer Schaumentwicklung in der
Dampftrommel, die zu einem Durchschlagen von Kesselwasser in den Überhitzer führen
kann. Aus diesem Grund sehen die Regelwerke eine Obergrenze in der Konzentration von
Trinatriumphosphat vor.
2.4 Feststoff-Alkalisierung mit Lithiumhydroxid (LiOH)
Lithiumhydroxid (LiOH) hat bis heute keinen Einzug in die Regelwerke gefunden, obwohl
die positiven Wirkmechanismen bereits erstmalig schon in den 70-er Jahren veröffentlicht
wurden. LiOH wird vereinzelt in Industrie- und Heizkraftwerken mit positivem Ergebnis
eingesetzt. Schadensfälle aus diesen Anlagen, die auf den Einsatz von LiOH zurückzuführen
sind, sind nicht bekannt.
2.5 Kombinierte Feststoff-Alkalisierung mit Überlagerung von
Ammoniak (NH3) und Hydrazin (N2H4)
Ebenfalls gute Betriebsergebnisse sind bei der Anwendung der kombinierten FeststoffAlkalisierung aus Natronlauge und Trinatriumphosphat zu verzeichnen. Beide Stoffe können
gemeinsam in einem Ansetzbehälter und dann mit einer gemeinsamen Dosierpumpe z. B. in
die Dampftrommel, deren Zuführungsleitungen, in einen der unteren Seitenwandsammler des
Verdampfers oder vor dem ECO dosiert werden.
Zur Anhebung des pH-Wertes im Kondensatkreislauf hat sich eine Pufferung des Kondensats
mit NH3 bewährt. Bei einer Berohrung des Turbinenkondensators mit Rohren aus Kupfer oder
Kupferlegierungen, wie z. B. Messing sind die maximalen NH3-Konzentrationen im
Kondensat zu beachten.
Hydrazin wurde in der Vergangenheit in starkem Umfang als Sauerstoffbindemittel
eingesetzt. Diese Art der chemischen Sauerstoffbindung kann jedoch wesentlich einfacher
und wirtschaftlicher durch eine optimierte thermische Entgasung, wie. z. B. Aufkochen der
Speisewasserbehälterfüllung erreicht werden. Hydrazin wird heute als cancerogen eingestuft,
kann aber bei Anwendung der entsprechenden Sicherheitsauflagen auch in Deutschland
eingesetzt werden. Ausgenommen sind Anlagen in der Lebensmittelindustrie, Pharmazie und
Dampf zur Raumklimatisierung.
Hydrazin als kleinstes Molekül in der Amin-Kette hat jedoch nachweislich einen positiven
Einfluss auf die Magnetit-Schutzschicht-Bildung. Es unterstützt eine feinkörnige, dünne und
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festhaftende Schutzschichtbildung. Umgekehrt ist bei der Absetzung von Hydrazin eine
Veränderung der Schutzschicht beobachtet worden, bei gleichzeitigem Anfall von
vagabundierendem Magnetit im Verdampfersystem.
LevoxinR ist ein Markenname von Hydrazin. LevoxinR entfaltet bei gleichzeitiger
Verwendung von katalytischen Substanzen seine Wirkung auch schon bei niedrigen
Temperaturen. Im Bereich der alternativen Speisewasserchemie werden ebenfalls Amine,
Amingemische mit entsprechenden Lösungsvermittlern, etc. eingesetzt. Auch bei diesen
Wasserchemikalien ist ein positiver Einfluss auf die Magnetit-Schutzschicht zu verzeichnen.
Bei der Verwendung von nicht geeigneten Lösungsvermittlern können jedoch organische
Säuren entstehen, die in der Praxis zu einer Vielzahl von Schäden geführt haben.
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3.0 Ursachen von Erosionskorrosion in
Verdampfersystemen von Naturumlauf-Dampferzeugern
Über die Ursachen und Zusammenhänge von Erosionskorrosion in wässriger Lösung sind
u. a. experimentelle Untersuchungen durch SIEMENS durchgeführt worden [10].
Wie dem Abbildung 3-1 zu entnehmen ist, hat ein ausreichend hoher Schutz-pH-Wert einen
signifikanten Einfluss auf den Materialabtrag.
spez. Materialabtrag µg/cm²
1.000,0
100,0
10,0
p = 40 bar
T = 180 °C
w = 39 m/s
g < 5 µg/kg
t = 200 - 400 h
1,0
0,1
6
7
8
9
10
pH-Wert
Abbildung 3-1
Einfluss des pH-Wertes auf den Materialabtrag durch Erosionskorrosion
in Wasserströmungen [nach 10]
Bei „reiner“ ATV-Fahrweise mit NH3 lassen sich bei höheren Kesseldrücken und
Wärmestromdichten die erforderlichen pH-Werte nicht einstellen.
Deshalb sollte z. B. eine kombinierte Feststoffalkalisierung, z. B. wie unter Kap. 2.5
beschrieben, d. h. NaOH/Na3PO4 überlagert mit NH3 und N2H4 zugrunde gelegt werden.
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Der Einfluss der Strömungsgeschwindigkeit ist in Abbildung 3-2 und der Formfaktoren, z. B.
von Rohrbögen ist in Abbildung 3-3 dargestellt.
Diese experimentell gewonnenen Erkenntnisse wurden im großtechnischen Maßstab an
realistischen Anlagen bestätigt und so die Richtigkeit der Erkenntnisse unterstreicht.
spez. Materialabtrag µg/cm²
1.000,0
100,0
p = 40 bar
T = 180 °C
pH = 7
g < 5 µg/kg
t = 200 h
10,0
0
10
20
30
40
50
60
Strömungsgeschwindigkeit w [m/s]
Abbildung 3-2
Einfluss der Strömungsgeschwindigkeit auf den Materialabtrag durch
Erosionskorrosion in Wasserströmungen [nach 10]
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Platten- Krümmer
kanal
spez. Materialabtrag Rohr µg/cm²
1.000,0
100,0
p = 40 bar
T = 180 °C
w = 20 m/s
pH = 7
g < 5 µg/kg
t = 200 - 500h
15Mo3
10,0
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
Geometriefaktor Kc
Abbildung 3-3
Einfluss der Geometrie auf den Materialabtrag durch Erosionskorrosion
in Wasserströmungen [nach 10]
Unter Beachtung dieser experimentell gewonnenen Erkenntnisse und einer entsprechenden
Auslegung der Parameter ist eine positive Beeinflussung des Materialabtrages durch
Erosionskorrosion gegeben.
In der Abbildung 3-4 ist ersichtlich, dass stark exponierte Bauteile wie z. B. Bögen,
Krümmer, T-Stücke, etc. aus Gründen des Erosionsschutzes in höher legiertem Material, als
aus Sicht der Warmfestigkeit erforderlich, ausgeführt werden sollten.
Positiv für die Lebensdauer und damit für eine höhere Verfügbarkeit wirkt sich beispielsweise
für hoch belastete Bauteile der Wechsel vom Werkstoff St 35.8 auf die Materialgüte
13CrMo44, o. ä. aus.
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spez. Materialabtrag µg/cm²
1.000,0
100,0
10,0
p = 40 bar
T = 180 °C
w = 20 m/s
pH = 7
g < 5 µg/kg
t = 200 - 500h
Plattenproben
1,0
0,1
0
5
10
15
(Cr + Mo)-Gehalt h
Abbildung 3-4
Einfluss des Chrom- und Molybdän auf den Materialabtrag durch
Erosionskorrosion in Wasserströmungen [nach 10]
Die Auswirkung des Kesseldrucks und damit der Siedewassertemperatur ist in Abbildung 3-5
dargestellt. Der Zenit und damit der Punkt mit dem maximalen Materialabtrag liegt gemäß
dieser Bedingungen bei 150°C.
Der linke Grenzkurvenbereich gilt vorrangig für Niederdruck - und Mitteldruck-Vorwärmer,
welche auf Grund unzureichender Magnetit-Schutzschicht z. T. unter erheblichem
Materialabtrag leiden.
Bei höheren Kesseldrücken und Temperaturen, die dem rechten Grenzkurvenbereich
entsprechen, setzt gemäß der Schikorr-Reaktion eine zunehmend stabile Ausbildung der
Schutzschicht auf Magnetit-Basis ein, die dem Materialabtrag durch Erosionskorrosion
entgegen wirkt. Auf der Rohrwand bildet sich eine Schutzschicht aus Magnetit, welche dicht
und fest haftend ist, ohne nennenswerte Unregelmäßigkeiten und Risse zu zeigen.
3 Fe(OH)2 Fe3O4 + 2 H2O + H2
Schikorr-Reaktion
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spez. Materialabtrag µg/cm²
1.000,0
100,0
10,0
1,0
0,1
0
50
100
150
200
250
p = 40 bar
w = 35 m/s
pH = 7
g < 40 µg/kg
t = 200 h
Wassertemperatur T [°C]
Abbildung 3-5
Einfluss der Temperatur auf den Materialabtrag durch Erosionskorrosion
in Wasserströmungen [nach 10]
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4.0 Vorgänge bei der Erzeugung von Sattdampf
Der Verdampfungsvorgang in Siederohren von Umlaufkesseln ist in seiner physikalischen
Exaktheit ein äußerst komplexer Vorgang. Es werden somit nur Vorgänge erörtert, die für
eine allgemeine Betrachtung erforderlich sind.
4.1 Vorgänge beim Sieden
Der Verdampfungsvorgang auf der Innenseite von Siederohren beginnt bei einer ausreichend
hohen Wandtemperatur, bevorzugt an Dampfbildungskeimen der inneren MagnetitSchutzschicht. Mit steigender Wärmestromdichte wird die Anzahl der Blasenbildungskeime
größer, wobei auch weniger geeignete Bildungskeime zur Blasenbildung beitragen.
In der Umgebung des Dampfkeimes, wo keine Dampfbildung stattfindet, gibt die Heizfläche
ihre Wärme an das Wasser ab. Aufgrund der Oberflächenspannung der Dampfblasen kommt
es somit zu einer lokalen Überhitzung des Wassers.
Nach Ausbildung der Dampfblase verdampft das benachbarte überhitzte Wasser in die
Dampfblase hinein und ihr Durchmesser nimmt hierdurch rasch zu. Die Vergrößerung der
Dampfblase dauert so lange, bis sie durch den Auftrieb von der Wand weggerissen wird.
Durch die Voreil-Geschwindigkeit der Dampfblasen und dem Dichteunterschied des Wassers
und Wasser-Dampfes-Gemisches zwischen Fall- und Steigrohr (Siederohr) stellt der sich für
Umlaufkessel typische Wasserumlauf ein.
Die Umlaufzahl hängt vom hydraulischen Widerstand des Verdampfersystems sowie dem
Dampfanteil in den einzelnen Siederohren ab. D. h. die Umlaufzahl eines Verdampfers ist
keine einheitliche Zahl, sondern ist von der Bauform, Kessellast und -druck,
Wärmestromdichte und dynamischen Zähigkeit des Kesselwassers, etc. abhängig. Die
Umlaufzahl kann sich in einem weiten Bereich, z. B. 6- bis 30-fach bewegen und ist für
jedes Siederohr unterschiedlich.
Bei einer weiteren Steigerung der Wärmestromdichte bzw. Störung im Wasserumlauf
vereinigen sich die Dampfblasen zu einem geschlossenen Film. Man spricht dann von einer
Filmverdampfung, die eine deutliche Erhöhung der Rohrwandtemperatur und in der Regel
einen Rohrschaden zur Folge hat.
Die kritische Wärmestromdichte ist druckabhängig und erreicht bei 80 bis 90 bar ihr
Maximum.
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4.2 Salze im Kesselwasser
Der Salzgehalt des Kesselwassers hängt vom Salzgehalt des Speisewassers und der
Eindickungszahl ab.
Gemäß den einschlägigen Regelwerken, wie z. B. TRD-611/VGB-RL450L, etc. können in
Abhängigkeit der Speisewasserkonditionierung und des Kesseldruckes unterschiedliche
Säureleitfähigkeiten im Kesselwasser eingestellt werden. Da bei der Feststoff-Alkalisierung
höhere Eindickungen gefahren werden können als bei einer flüchtigen Alkalisierung mit NH3,
kommt einer effizienten Phasentrennung in der Dampftrommel eine besondere Bedeutung zu.
Aufgrund der höheren Eindickung kann die Entsalzungsmenge entsprechend klein gehalten
werden und wird vielfach schon über die Probenahmekühler abgeführt.
4.3 Grenzschichtvorgänge in Siederohren
Nach theoretischen Betrachtungen liegt in der Grenzschicht zur Rohrwandung aufgrund des
höheren Salzgehaltes und Dampfblasenbildung eine lokale Überhitzung des Kesselwassers
vor.
Die Siedepunktserhöhung ist nach dieser Betrachtung umso größer, je höher der Salzgehalt
des Kesselwassers ist. Durch die Auflösung von Salzen wird der Dampfdruck im
Kesselwasser gesenkt, so dass für die Verdampfung der Lösung eine höhere Temperatur
vorliegen muss. Die Anhäufung von Salzen in der Grenzschicht kann man bei
Zustandsänderungen des Dampferzeugers beobachten. D. h. bei Lastzunahme steigt der
Salzgehalt in der Grenzschicht und bei Lastabsenkung erniedrigt sich dieser wieder, was sich
in einer Konzentrationsänderung des Kesselwassers meßtechnisch bemerkbar macht.
Diese Wanderung von Salzen zwischen Grenzschicht und Kesselwasser in Abhängigkeit von
der Last wird auch als „hide-out-effect“ bezeichnet. Überlagerte radiale Bewegungen des
Kesselwassers aufgrund des Verdampfungsvorganges verstärken den Austausch von Salzen
zur Grenzschicht. Es findet somit eine Anreicherung von Salzen in der Grenzschicht in fester
Form statt, deren Löslichkeit bei der vorhandenen Temperatur überschritten werden kann.
4.4 Verunreinigung des Dampfes bei seiner Entstehung
Der Salzgehalt im Sattdampf nach der Dampftrommel hängt primär von der Restfeuchte und
dem Salzgehalt des Kesselwassers ab. Hinzu kommen in geringen Maßen Salze, die bei der
Entstehung des Sattdampfes in den Siederohren durch Zerstäubung in der Grenzschicht
flüchtig werden. Die Eindickung des Trommelinhaltes und der daraus resultierende Salzgehalt
des Kesselwassers, der Kesseldruck, die Art des Salzes, etc. spielen hierbei eine dominierende
Rolle. Maßgeblich wirkt sich dabei die Anreicherung von Salzen in der Grenzschicht aus. Es
entstehen mikroskopisch feinste Salzteilchen, die mit den Dampfblasen ausgetragen werden.
Hierbei unterliegt die Kieselsäure (SiO2) einem ähnlichen Zerstäubungs- und
Dampfflüchtigkeitsmechanismus. Der Verteilungskoeffizient k von Kieselsäure im Dampf zu
der im Kesselwasser ist sehr stark vom Kesseldruck abhängig. So ist beispielsweise der
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Verteilungsfaktor für Kieselsäure in der Dampfphase bei einem Kesseldruck von 200 bar ca.
10-fach höher als bei einem Kesseldruck von 100 bar (siehe auch Abbildung 4-1).
Verteilungskoeffizien k
0,1000
0,0100
0,0010
0,0001
40
60
80
100
120
140
160
180
200
Druck [bar]
Abbildung 4-1
Einfluss des Drucks auf den Verteilungskoeffizient k von SiO2 [nach 4]
Der Verteilungskoeffizient k bildet sich aus dem Verhältnis zwischen SiO2 im Dampf und
Kesselwasser [4].
k=
SiO2,Dampfphase
SiO2, Kesselwasser
k … Verteilungskoeffizient
Umlaufkessel mit hohem Druck sollten daher mit möglichst reinem Speisewasser und
geringen SiO2-Werten gefahren werden. Neben dem Druck hängt die Dampfflüchtigkeit von
Kieselsäure auch vom pH-Wert des Kesselwassers ab. Eine Erhöhung des pH-Wertes des
Kesselwassers verringert die Dampfflüchtigkeit der Kieselsäure. Somit hat ein ausreichend
hoher pH-Wert im Kesselwasser einen positiven Einfluss auf die Erosionskorrosion im
Verdampfer und eine geringere Dampfflüchtigkeit von Salzen und Kieselsäure.
Diese erforderlichen hohen pH-Werte im Kesselwasser sind mit Ammoniak nicht sicher zu
erreichen (s. Abbildung 3-1). Eine kombinierte Feststoff-Alkalisierung mit einem Gemisch
von Natronlauge und Trinatriumphosphat sollte aus diesem Gesichtspunkten der Vorzug
gegeben werden.
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5.0 Aufgabe der Kesseltrommel
Der Kesseltrommel eines Naturumlaufkessels kommen mannigfache verfahrenstechnische
Aufgaben zu, die nur durch spezielle konstruktive Vorkehrungen eingehalten werden können.
Neben dem Vorgang der Phasentrennung zwischen siedendem Kesselwasser und dem dabei
entstehenden Sattdampf dient die Kesseltrommel als Druckspeicher und zur
Kesselwasserbevorratung.
In der Kesseltrommel binden diverse Rohrleitungssysteme, wie Economiser, Fall-, Steig- und
Überströmrohre, Sattdampfentnahmerohre, Trommelsicherheitsventil, Impuls- und
Messleitungen, sowie Leitungen für die Abschlämmung und der Trommelnotablass, etc., ein.
5.1 Dimensionierung der Dampftrommel
Grundlegend ist bei der Dampftrommel die Festlegung des Trommeldurchmessers und der
Trommellänge. Insbesondere für kleinere Dampferzeuger sollte der Trommeldurchmesser
ausreichend groß bemessen sein, damit die erforderlichen Einbauten, wie Verteilsysteme,
Leitbleche, Demister, etc eingebracht und, wenn erforderlich, verschweißt werden können.
Bei geringen Durchmessern ist ein Zugang stark erschwert, so dass die Einbauten nur mit
großen Mühen eingebracht und montiert werden können. Bei einer ausreichenden
Dimensionierung können sowohl die Befahrung zu Inspektions- Wartungs- oder
Reparaturzwecken als auch im Falle eines Unfalls die Bergung des in der Trommel
Verunglückten leichter durchgeführt werden. Hier sollte für jeden Kessel eine entsprechende
Optimierung erfolgen.
Mit zunehmendem Durchmesser nimmt jedoch gemäß der Kesselformel die Wandstärke der
Trommel zu. Diese Erhöhung der Wandstärke und die damit verbundene größere Masse an
Stahl erhöht die direkten Kosten der Trommel und beeinflusst zusätzlich den Anfahr- und
Lastgradienten negativ, so dass der Kessel ein schlechteres Regelverhalten aufweist. Die
Verwendung hochfester Feinkornbaustähle, wie z. B. WB36 (15NiCuMoNb5) anstelle 17Mn4
oder 19Mn6 erlaubt gemäß deren Festigkeitswerte eine Reduzierung der Trommelwandstärke.
Das Schweißen dieser Feinkornbaustähle erfordert aber eine sorgfältige Handhabung, wie
ausreichende Vorwärmung, zugluftfreie Arbeitsplätze, Spannungsarmglühen, etc.
Diese Vorwärmung ist selbstverständlich auch für das Einbringen der Trommeleinbauten, wie
Demisterhalterungen, Leitbleche, etc. erforderlich. Es ist sinnvoll dieser Einbauteile vor dem
Schließen des zylindrischen Trommelteils mit den Klöpperböden bei entsprechender
Vorwärmung einzubringen. Nach Abschluss der Arbeiten ist die Trommel dann
spannungsarm zu glühen.
Einem Schweißer ist es nicht zuzumuten in eine auf 150 bis 200°C vorgewärmte Trommel
einzusteigen. Im Umkehrschluss ist davon auszugehen, dass die scheinbar untergeordneten
Schweißverbindungen bei nicht ausreichender Vorwärmung eingebracht werden, was
zahlreiche Schadensfälle belegen.
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Die Länge der Dampftrommel entspricht in der Regel der Kesselbreite, wodurch die Steig-,
Fall-, Überströmrohre und sonstigen Ein- und Anbauten problemlos einzubinden sind. Es ist
somit sinnvoll eine Dampftrommel im Durchmesser und der Länge ausreichend zu bemessen.
Ebenso sollte eine Dampftrommel mit zwei Mannlöchern und Einsteighilfen ausgerüstet sein.
5.2 Berechnung des Dampfraum- und Wasserspiegelbelastung von
Kesseltrommeln
Die Berechnung der Dampfraum- und Wasserspiegelbelastung sollte nach der FDBR-Norm
156 erfolgen [13]. Die Vorgaben für die Dampfraumbelastung aus der FDBR 156 gelten
vorrangig für Trommeln mit Schwerkraftabscheidung und deren Einbauten. Begriffe der aus
den Vorgaben dieser Norm sind u. a. die Dampfraumbelastung Bv [m³/m³h], der wirksame
Dampfraum V [m³], sowie die Wasserspiegelbelastung BA [m³/m²h]. Aus dem der Norm
beigefügten Diagramm ist in Abhängigkeit des Kesseldrucks und der Leitfähigkeit des
Kesselwassers die zulässige Dampfraumbelastung in Bv [m³/m³h] zu ermitteln.
Für salzfreies Speisewasser bzw. Kesselwasser, das je nach Druckstufe und
Feststoffkonditionierung zwischen 50 - 150 µS/cm liegt, gilt die obere Grenzkurve des
Diagramms mit einer elektrischen Leitfähigkeit des Kesselwassers von < 2.000 µS/cm. Bei
Trommeldrücken oberhalb von ca. 75 bar sollte die Dampfraumbelastung < 450 m³/(m³h)
betragen. Bei Trommeldrücken > 170 bar soll zusätzlich die maximale
Wasserspiegelbelastung beachtet werden. Weitere Details sind in der FDBR-Norm 156
ersichtlich.
5.3 Gestaltung der Trommeleinbauten
Die Gestaltung der Trommeleinbauten hat die Aufgabe, durch ihr Zusammenwirken, eine
möglichst geringe Restfeuchte und somit einen geringen Salztransport aus der Trommel in
den Sattdampf zu erzielen. Der Aufbau einer Dampftrommel ist schematisch in
Abbildung 5-1 und 5-2 dargestellt.
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Abbildung 5-1
Schematischer Aufbau einer Dampftrommel, Querschnitt
5.3.1 Gestaltung der Trommelleitbleche
Das im Verdampfer generierte Wasser-Nassdampfgemisch wird über die Steig- und
gegebenenfalls Überhubrohre der Dampftrommel zugeführt. In der Dampftrommel findet
durch Trennbleche abgeschottet die erste Wasser-Naßdampftrennung statt. Die Leitbleche
sind nach unten und in Längsrichtung offen. Durch diese Trennbleche wird ein direkter
Kontakt des Gemisches mit den Demistern weitestgehend vermieden. Das Wasser fällt direkt
nach unten und der Dampf wird gemäß Abbildung 5-1 in Richtung der Klöpperböden
geleitet.
Zur Vermeidung von Tropfenschlag-Erosion ist der Entspannungsraum zwischen den
Leitblechen und der Trommelwand entsprechend groß zu halten. Als Material für die
Leitbleche sollte ein austenitischer Werkstoff, wie beispielsweise CrNi188 oder ähnlich,
gewählt werden. Zur weiteren Geschwindigkeitsreduzierung können die Entspannungsräume
auch doppelflutig ausgeführt werden (siehe Abbildung 5-1).
5.3.2 Zusammenwirkung von Trommelleitblechen und Demistern
In Abbildung 5-2 ist in einem schematischen Längsschnitt durch die Trommel der
grundsätzliche Aufbau dargestellt.
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Abbildung 5-2
Schematischer Aufbau einer Dampftrommel, Längsschnitt
Zur Vermeidung eines Kurschlusses des Dampfaustritts zwischen den Steig- und
Überhubrohren und dem Eintritt in den Demister sollten die Leitbleche deutlich länger als der
Demister sein. Der nasse Dampf wird in Richtung der Klöpperböden abgelenkt. Nach der
Umlenkung des Dampfes durch die Klöpperböden wird dieser in Längsrichtung durch den
Dampffreiraum dem Demister auf seiner Gesamtlänge zugeführt. Auf diesem Weg kann der
Nassdampf weiter abregnen. Je nach Auslegung der Trommel ist von einer verbleibenden
Restfeuchte vor Demister von 1 - 5% auszugehen.
5.3.3 Auslegung und Wirkungsweise des Demister
Für die Auslegung von Demistoren existieren keine übergeordneten Regelwerke. Als
„Faustformel“ gilt, dass ein gut ausgelegten Demister ca. 70 - 80 % der zylindrischen Länge
der Kesseltrommel einnehmen sollte. Der Demister besteht aus einzelnen Paketen aus
Edelstahlwolle, die durch Edelstahlbleche gekammert und in einer dampfdichten Halterung
eingebracht werden. Die Packungsdichte der Demister ist der gewünschten Restfeuchte nach
der Dampftrommel anzupassen. Die Packungshöhe sollte für einen funktionsfähigen Demister
mit mindestens 150 bis 200 mm ausgelegt werden. Auf keinen Fall sollte der Demister optisch
durchdringbar sein, d. h. wenn man ein Demisterpaket mit einer Lampe bestreicht, sollte kein
Licht auf der gegenüber liegenden Seite sichtbar sein.
Der durch Umlenkung an den Klöpperböden und die Verweilzeit vom Austritt aus den
Zuleitungen bis zum Eintritt in den Demister verliert der Sattdampf weiter die großen
Seite 18 von 30
Tröpfchen. Aus dem Freiraum kommend tritt der Sattdampf dann in die Demisterpakete
gleichmäßig über die gesamte Länge ein. Der Nassdampf verliert durch den Kontakt mit der
nassen Edelstahlwolle weiter an Feuchtigkeit. Es ist eine gleichmäßige Sättigung aller
Demisterpakete mit Wasser anzustreben, damit die Sperrwirkung weiter verstärkt wird und
auch dampfflüchtige Salze und Kieselsäure teilweise zurückgehalten werden.
Das gespeicherte Wasser tropft durch Schwerkraft ab, wobei gleichzeitig der Dampf im
Gegenstrom durch den Demister mit geringer Geschwindigkeit durchströmt. Besonders zu
beachten ist eine gleichmäßige Durchströmung aller Demisterpakete, damit wird ein Übertritt
von Wasser in die Sattdampfüberströmrohre vermieden.
Demistoren weisen im Gegensatz zu Strömungsabscheidern, wie z. B. Zyklone, etc. auch ein
gutes Teillastverhalten auf. Im Regelfall verbessert sich die Abscheidung im Teillastbereich.
5.3.4 Anzahl und Auslegung der Sattdampfentnahmestutzen
Für die ordnungsgemäße Funktion des Demisters ist nicht nur eine gleichmäßige Anströmung
sondern auch eine gleichmäßige Abströmung erforderlich. Zwischen dem Demister und dem
Trommelscheitel sollte daher ein ausreichender Freiraum bestehen, der eine erste
Vergleichmäßigung der Strömung bewirkt. Über die gesamte Länge des Demisters sollte die
Dampftrommel gleichmäßig mit Sattdampfentnahmestutzen ausgerüstet sein. Bei größeren
Dampftrommeln und somit größerer Breite des Demisters können die Sattdampfentnahmerohre auch in mehreren Reihen angeordnet werden.
Die Dampfgeschwindigkeit in den Entnahmestutzen sollte druckabhängig 2 - 4 m/s nicht
überschreiten, da es sonst zu einem Durchschlagen von Wasser auf die Sattdampfseite
kommen kann. In Extremfällen ist es sogar in Kombination mit mangelnder Festigkeit des
Demisters zu einem Mitreißen von Stahlwolle in die Sattdampfentnahmestutzen gekommen.
Anzahl, Anordnung und Geschwindigkeit in den Dampfentnahmestutzen stellen ein weiteres
Qualitätsmerkmal einer Dampftrommel dar. Hier ist ein Optimum zwischen technisch
Machbarem und wirtschaftliche Vertretbarem zu suchen. Dieses Optimum sollte aus einer
qualifizierten Bestellspezifikation hervorgehen.
Die Sattdampfentnahmerohre werden durch Sammler gebündelt und je nach
Dampferzeugerkonzept den Tragrohren bzw. bei Abhitzekesseln direkt dem Überhitzer
zugeführt.
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5.4 Restfeuchte im Sattdampf nach der Kesseltrommel
Über die zulässige Restfeuchte im Sattdampf bestehen in der Fachliteratur keine oder nur
unzureichende Informationen. Lediglich in der VGB-Richtlinie R 222, Bestellrichtlinien für
Abhitzekessel, [7] wird neuerdings ein Grenzwert von 0,5% Restfeuchte genannt. Dieser
Grenzwert von < 0,5% gilt für Dampferzeuger mit senkrechten sattdampfgekühlten
Tragrohren, in denen eine erste Überhitzung und damit Dampftrocknung stattfindet.
Kesselwasserinhaltsstoffe und Salze, etc. können sich somit gleichmäßiger und auch über
größere Rohrlängen ablagern.
Durch Sattdampfspülungen, wie z. B. Anfahrvorgängen von Dampferzeugern und dem damit
verbundenen Vorbelüften, werden insbesondere salzhaltige Beläge in den Tragrohren
weitestgehend ausgespült.
Bei einer direkten Einleitung des Dampfes ohne senkrechte, sattdampfgekühlte Tragrohre in
horizontale Überhitzerrohre eines Abhitzekessels sollte eine deutlich niedrigere Restfeuchte,
z. B. 0,1% angestrebt werden.
Die mit der Restfeuchte eingetragenen Kesselwasserinhaltsstoffe lagern sich durch
Schwerkraft in der 6-Uhr-Stellung der Überhitzereinlaufstrecke ab. Durch die lastabhängig
wandernde Eintrocknungszone kann es örtlich zu hohen Salzkonzentrationen und damit
Korrosionen kommen. Schadensfälle an Abhitzedampferzeugern bestätigen diesen Vorgang.
5.5
Bestimmung der Dampf-Restfeuchte nach der Kesseltrommel
Die Bestimmung der Restfeuchte erfolgt durch die Erfassung der Natrium-IonenKonzentration im Sattdampf nach der Kesseltrommel. Diese Messung wird auch als NatriumIonen-Schlupfmessung bezeichnet. Hierzu ist dem Sattdampf eine repräsentative Probe durch
eine Schlitz- oder Mehrlochsonde zu entnehmen (Abbildungen 5-3 und 5-4).
Abbildung 5-3
Mehrloch-Sonde zur Abnahme einer Dampfprobe
Abbildung 5-4
Geschlitzte Sonde zur Abnahme einer Dampfprobe
Seite 20 von 30
Zur Erhöhung der Messgenauigkeit können mehrere Sonden versetzt installiert werden. Die
Sonden sind in vertikalen Leitungsabschnitten zu platzieren. Hierdurch wird vermieden, dass
ein nicht repräsentativer Wasserfilm im Wandbereich mit erfasst wird. Der Dampfstrom wird
in einen Probenahmekühler kondensiert und entsprechend analysiert.
Die ermittelte Ionenkonzentration ist proportional dem transportierten Feuchtigkeitsgehalt im
Dampf. Andere mit erfasste dampfflüchtige Salze können auf Grund der äußerst geringen
Konzentration bei dieser Betrachtung vernachlässigt werden.
5.6 Dampfreinheit des HD-Dampfes
Für eine hohe Verfügbarkeit der Dampfturbine ist eine entsprechende Dampfreinheit des HDDampfes von primärer Bedeutung. Hierbei ist zwischen der chemischen und mechanischen
Dampfreinheit zu differenzieren.
5.6.1 Chemische Reinheit des HD-Dampfes
Die chemische Reinheit des HD-Dampfes bei Umlauf-Dampferzeugern wird im Wesentlichen
vom Feuchtigkeitsgehalt des Sattdampfes nach der Kesseltrommel und der Eindickung des
Kesselwassers beeinflusst.
Für Dampferzeuger mit Überhitzer bzw. Turbinenbetrieb ist die Leitfähigkeit die wichtige
Messgröße für die Reinheit des Dampfes. Zu Bestimmung der direkten Säureleitfähigkeit
wird der Messung ein stark saurer Kationenaustauscher vorgeschaltet. Ammoniak und
Alkalihydroxide, etc. werden bei Kationenaustausch eliminiert und ergeben keine
Leitfähigkeit, wogegen Kohlensäure einen Einfluss auf die Messung hat. Kohlensäure bzw.
Kohlendioxid CO2 sollte ohnehin im Rahmen der Speisewasseraufbereitung bzw. Entgasung
entfernt werden.
Die einzuhaltenden Richtwerte nach VGB für Dampferzeuger bei einem Überdruck von 70
bar sind in Abbildung 5-5 dargestellt [6].
Einheit
Säureleitfähigkeit
Kieselsäure
Eisen, gesamt
µS/cm
µg/l
µg/l
Speisewasser und
Einspritzwasser
< 0,010
<5
-
Kesselwasser
< 50
<2.000
-
Dampf für
Turbinenbetrieb
0,10
<5
<5
Kupfer, gesamt
Leitfähigkeit,
direkt
pH-Wert
Sauerstoff
Gesamthärte
(Ca/Mg)
µg/l
µS/cm
-
8 - 25
<1
-
µg/l
mmol/l
9,2 - 9,5
< 20
<0,005
9,5 10,0
-
-
Abbildung 5-5 Richtwerte für Dampferzeuger, 70 bar, Werte für Normalbetrieb
Die aufgeführten Grenzwerte gelten für den Normalbetrieb eines Umlaufkessels mit
Feststoffalkalisierung. Weiterführende Werte sowie Action-Levels, etc. sind den Richtlinien
zu entnehmen.
Seite 21 von 30
5.6.2 Mechanische Reinheit des HD-Dampfes
Neue Dampferzeugeranlagen einschließlich der dazugehörigen Rohrleitungen sind im
Rahmen der Inbetriebnahme wasser- und dampfseitig sorgfältig zu reinigen. Die VGBRichtlinie R513 „innere Reinigung von Wasserrohr-Dampferzeugeranlagen und
Rohrleitungen“ gibt zu allen Reinigungsverfahren, auch zu Detailfragen eine gute Anleitung.
Hiernach können Umlauf-Dampferzeuger z. B. wie folgt gereinigt werden:
•
•
•
Spülen des Dampferzeugers
alkalisches Auskochen
Ausblasen
In der Praxis hat sich gezeigt, dass auf Grund zunehmender Verschmutzung im Rahmen der
Fertigung und Montage mit umfangreichen Ausblasevorgängen zu rechnen ist.
Dampferzeuger, insbesondere Abhitzekessel in Mehrdruckbauweise, sind 50-mal und mehr
ausgeblasen worden.
Einschließlich der erforderlichen Abkühlvorgänge ergeben sich hieraus Zeiten, von mehreren
Monaten, die für einen Inbetriebnahmeablauf absolut inakzeptabel sind. Hinzu kommen die
hohen Brennstoffkosten, da der Ausblasedampf in der Regel in die Atmosphäre geleitete oder
sonst wie verworfen wird. Zu Verkürzung dieser Inbetriebnahmezeiten ist unter anderem das
Beizen von Dampferzeugern sinnvoll. Die in dieser Richtlinie präferierte Flusssäurebeizung
wird mittlerweile weltweit angewandt.
In der Kombination Beizen/Ausblasen lassen sich in kalkulierbaren Zeiträumen
Dampfreinheiten erreichen, die einen Dauerbetrieb gewährleisten. Aber auch nach einer
sorgfältigen und sachgerechten Reinigung sind während des Betriebes mechanische
Verunreinigungen möglich, die zu einer Beeinträchtigung des Dampfturbinenprozesses führen
können.
Durch den Trocknungs- und Überhitzungsvorgang des Dampfes in den Tragrohren und der
ersten Überhitzerstufe kommt es zu einer Ablagerung von Kesselwasser-Inhaltsstoffen. Bei
Abplatzungen dieser Ablagerungen aufgrund von:
•
•
•
•
•
Überschreitung einer kritischen Schichtstärke
Schwingungen und mechanischen Stößen, z. B. beim Russblasen
Spannungen zwischen Schicht und Rohr
Lastwechsel
An- und Abfahrvorgängen, etc.
fallen Feststoffe an, die mit dem Dampf in die Turbine transportiert werden. Diese
Kesselwasser-Inhaltsstoffe sind wasserlöslich und lassen sich somit nur über einen
kurzzeitigen und sporadischen Anstieg der Leitfähigkeit im Turbinenkondensat erkennen. Zu
diesen Stoffen kommen Abplatzungen der Magnetit-Schutzschicht der Rohrinnenseite. Diese
Feststoffe werden auf Grund der Dampfgeschwindigkeit und zahlreicher Umlenkungen
pulverisiert, sind jedoch u. a. die Ursache für Erosionen und Ablagerungen in den.
Dampfturbinen.
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6.0 Auswirkungen auf den Dampfturbinenprozess
Der erzeugte Dampf wird meist zur Erzeugung von Elektroenergie in Turbinen eingesetzt.
Hierbei tritt Dampf überhitzt in die Turbine ein und verlässt bei einer Kondensationsmaschine
den Kondensator als kondensiertes Wasser (Kondensat). Bei einer Gegendruckmaschine wird
der Dampf auf den erforderlichen Gegendruck entspannt und dann einer weiteren
Verwendung zugeführt. In beiden Fällen ist die Dampfreinheit eines der Kriterien für den
störungsfreien Betrieb der Dampfturbine.
6.1 Erosion in Dampfturbinen durch feste Bestandteile
Im Dampf liegen die Salzpartikel als Feststoffe vor, die sich mit hoher Geschwindigkeit durch
die Turbine bewegen. In der Regel liegen diese Partikel auf Grund ihrer Entstehungsgeschichte molekular verteilt vor und haben nur einen geringen Einfluss auf die Erosion. Der
gleiche Effekt tritt auf, wenn SiO2 in der Dampfphase mitgerissen wird. Bei größeren
Teilchendurchmessern kann es zu einer Aufrauhung und ggf. Abtragungen an den
Turbinenlauf- und -leitschaufel kommen. Durch diesen Materialabtrag kommt es zu einer
Reduzierung des Wirkungsgrades und zu einer Schädigung der Turbine.
6.2 Ablagerungen in Dampfturbinen
In einer Turbine ergeben sich Bereiche, in denen sich Salze, Magnetit und/oder SiO2
druckabhängig ablagern können. Dieses Gemisch kann sich auf den Turbinenschaufeln und
Leitorganen ablagern und eine fest haftende Schicht bilden. Diese Schicht stört die
strömungstechnisch optimierte Geometrie der Turbinenschaufeln und führt zu einem
geringeren Wirkungsgrad bei der Erzeugung von Elektroenergie.
Je nach vorgeschaltetem Kessel werden zwei unterschiedliche Arten von Ablagerungen
identifiziert. Bei Naturumlaufdampferzeuger treten vor allem die Anteile an Kieselsäure und
Kesselwasser-Inhaltsstoffe auf. Bei Durchlaufdampferzeugern überwiegen die
Eisenverbindungen wie Beispielsweise FeO, Fe2O3, Fe3O4.
Grundsätzlich werden Durchlauf- und Umlaufkessel mit dem gleichen extrem salzarmen VEWasser gefahren. Umlaufdampferzeuger haben jedoch eine höhere Eindickungsrate des
Kesselwassers und werden vorrangig mit Feststoff-Alkalisierung betrieben.
Nach [12] wurde eine Vielzahl von Verbindungen auf den Schaufeln gefunden. Die
Zusammenstellung ist in Abbildung 6-1 ersichtlich.
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Verbindung
Chemische Formel
Bemerkung
Hämatit
Magnetit
α−Quarz
α−
amorphe Kieselsäure
Natrium-Eisen-Silikat
Natriumchlorid
Natrium-Calcium-Silikat
Kupfer-(II)-oxid
Kupfer-(II)-Eisen-Chlorid
Noxan
Fe2O3
Fe3O4
SiO2
SiO2 x n H2O
NaFe(SiO3)2
NaCl
Na2O x CaO x SiO2
CuO
CuFeO2
3Al2O3 x 3Na2O x 6SiO2 x 2
Na2SO4
4Al2O3 x 3Na2O x K2O x 8SiO2
ziegelrot bis rot-schwarz
schwarz,
Natrium-KaliumAluminiumsilikat
Sodalit
3Al2O3 x 3Na2O x 6SiO2 x 2NaCl
Abbildung 6-1 Zusammenstellung der auf Turbinenschaufeln identifizierter Verbindungen
[nach 12]
Das Ergebnis der Untersuchungen zeigt, dass neben den reinen Stoffen viele
Mischverbindungen in Form von Oxiden oder Silikaten vorhanden sind.
Der Salzfluss durch eine Turbine ist in Abbildung 6-2 dargestellt.
Abbildung 6-2
Schematischer Salzfluss durch eine Dampfturbine [nach 12]
Seite 24 von 30
6.3 Erosion in Dampfturbinen durch flüssige Bestandteile
Neben den festen Bestandteilen können Tropfen von Salzschmelzen im HD-Teil und
kondensierte Wassertropfen im ND-Teil Schäden an den Einbauten der Turbine verursachen.
Der aus dem Kessel stammende Dampf durchströmt die Turbine unter permanentem Abgabe
an thermischer und mechanischer Energie. Sowohl der Druck als auch die Temperatur nimmt
ab. In einer Kondensationsturbine ohne Zwischenüberhitzung hinter einer Müllverbrennung
sind die gebräuchlichsten Eintrittsbedingungen 40 bar/400°C. Beim Einsatz von Kühlwasser
mit einer Temperatur von ca. 17°C reduzieren sich die Werte im Kondensator auf ca. 40
mbar/20°C. Dabei kann es, wie unter Abbildung 6-2 dargestellt im Hochdruckteil zu
kondensierenden Salzschmelzen kommen. Dagegen kommt es im hinteren
Niederdruckbereich der Turbine zur Kondensation von Wassertropfen.
Moderne Maschinen sind mit einsprechenden Einrichtungen zur Ableitung des Wassers
ausgerüstet. Hiermit ist es möglich bis zu 15% des Wasserdampfes zu kondensieren ohne
Schäden durch Erosion an den Schaufeln hervorzurufen. Da ein großer Teil der Energie des
Dampfes in der Kondensationswärme vorliegt, bringt diese Ausnutzung der Restwärme eine
Verbesserung des Turbinenwirkungsgrades.
6.4 Wirkungsgrade von Dampfturbinen
Moderne Turbinenauslegungen für Müllkraftwerke lassen bei den oben genannten Ein- und
Austrittsbedingungen (40 bar/400°C auf 40 mbar/20°C) theoretisch einen elektrischen
Wirkungsgrad von ca. 27% erwarten. Höhere Frischdampfparameter wie beispielsweise bei
der HR-AVI Amsterdam haben auch höhere Wirkungsgrade (hier > 30%) zur Folge [15].
Wirkungsgrade von > 45%, wie sie bei modernen kohlegefeuerten Kraftwerken angestrebt
werden, lassen sich in Müllkraftwerken derzeit nicht wirtschaftlich darstellen.
6.5 Einfluss auf die Rentabilität
Der Einfluss auf die Rentabilität der Elektroenergieerzeugung ist abhängig von dem Zweck
des Dampferzeugers.
6.5.1 Thermische Kraftwerke
Die thermischen Kraftwerke der Versorgungsunternehmen sollen vorrangig Elektroenergie
mit einem möglichst hohen Wirkungsgrad erzeugen.
Dabei kann ein Kraftwerk mit höherem Wirkungsgrad bei annähernd gleichem Invest und
identischen Brennstoffkosten mehr Strom erzeugen und so die Stromgestehungskosten
niedriger halten. Der spezifische CO2-Ausstoss pro erzeugtem MW wird reduziert.
Kommerziell verbessert sich die Rentabilität der Anlage. Der erzielbare Erlös sollte höher als
die Gestehungskosten sein.
In Fossil gefeuerten Kraftwerken werden hier verschiedene Verbesserungen, wie z. B. höhere
Dampfeintrittsparameter in die Turbine, mehrfache Zwischenüberhitzung, optimierte
Schaufelgeometrien der Turbine, verbesserte Regeleinrichtungen der Turbine, Optimierung
des Kondensatordrucks, Vorbehandlung des Brennstoffs, etc., umgesetzt.
Seite 25 von 30
Im Rahmen von Retrofit-Maßnahmen wurden in den letzten Jahren an bestehenden
Kraftwerken deutliche Verbesserungen des Wirkungsgrades bei gleichzeitiger Reduktion des
Brennstoffeinsatzes, Erhöhung der Flexibilität, Reduktion der Betriebs- und Wartungskosten,
etc., umgesetzt. Die Turbinen wurden an die geänderten, aktuellen Betriebsbedingungen
angepasst.
Durch verbesserte Fertigungsmaßnahmen konnten die Eigenschaften der Turbine, wie z. B.
das Schwingungsverhalten, etc., verbessert werden. Bereit entstandene Schäden und
Schwachstellen wurden beseitigt. Der Einsatz von computeroptimierten Schaufelgeometrien
und Ein- bzw. Auslaufkanäle, Verbesserung der Wasserabführung in der ND-Stufe für eine
tiefere Entspannung, etc., führte zu einer weiteren Steigerung des Wirkungsgrades.
Gleichzeitig wird die Verfügbarkeit der Turbine erhöht. Durch diese Maßnahmen konnte die
Leistung eines 500 MWel-Kraftwerkes bei gleichem Brennstoffeinsatz um ca. 40 MW
gesteigert werden [16].
Die Anzahl der Volllastbenutzungsstunden, die berechneten Abschreibungsdauer, der
zugrunde gelegten Zinssatz für die Investition, Personal- und Betriebskosten, etc. haben einen
maßgeblichen Einfluss auf die Rentabilität einer Anlage. Der Zusammenhang ist beispielhaft
für ein braunkohlegefeuertes Großkraftwerk mit einer spezifischen Investition von
1.200 €/kW dargestellt (Abbildung 6-3) [17].
Spez. Invest 1.200 €/kW
Stromgestehungskosten [€Ct/kWh]
5,5
4,5
35 a
3,5
25 a
15 a
2,5
1,5
4000
Abbildung 6-3
5000
6000
7000
8000
Volllastbenutzungsstunden [h/a]
Stromgestehungskosten in Abhängigkeit der Volllastbenutzungsstunden und
unterschiedlichen Abschreibungsdauern [nach 17]
Bei Ausfall der Turbine fallen der Erlös und die Grundlage des Betriebes aus. Die Kosten für
die Abschreibung und das Personal bleiben in der Regel bestehen. Ein Weiterbetrieb ist in der
Regel nicht möglich bzw. erwünscht. Die freiwerdende Wärmemenge müsste zum
Aufrechterhalten des Wasser-Dampf-Kreislaufs über den Kondensator umgewandelt werden.
Seite 26 von 30
Eine Ausnahme würde die gleichzeitige Erzeugung von Elektroenergie und Prozesswärme
darstellen, wenn die Erzeugung von Elektroenergie nur den Überschuss an Dampf umsetzt.
Oberstes Ziel ist ansonsten ein sicherer Anlagenbetrieb und die Erzeugung von
Elektroenergie.
Bei einem Biomasseheizkraftwerk, welches zur Versorgung eines Chemieunternehmens mit
Prozessdampf dient und bei dem der Überschussdampf verstromt wird, kam es auf Grund
eines deutlich zu hohen SiO2-Wertes zu Belägen in der Turbine. Die ursprüngliche Erzeugung
von ca. 11 MW reduzierte sich innerhalb eines Jahres um ca. 10%. Gleichzeitig erhöhte sich
der Lagertemperatur, so dass auch diese Leistung der Turbine nicht mehr abgerufen werden
konnte. Damit war der Betrieb der Dampfturbine dauerhaft nicht mehr vertretbar.
Die Turbine wurde ausgebaut und ins Werk zur Überholung gebracht. Die Anhaftungen
wurden mit Glaskugeln abgestrahlt. Die Dampfturbine stand über einen Zeitraum von ca. 6
Monate nicht zur Verfügung. Das Biomassekraftwerk lief mit verminderter Leistung weiter.
Alternativ hätte die Turbine im eingebauten Zustand mit Zitronensäure gebeizt werden
können.
6.5.2 Müllkraftwerke
Der Zweck von Müllkraftwerken liegt vorrangig in der Beseitigung von Abfall. Die
Erzeugung von Elektroenergie (und/oder Wärme) deckt nur einen Teil der Kosten und kann
letztlich zu einer Senkung der Verbrennungskosten führen.
Für ein im letzten Jahr in Betrieb genommenes Müllkraftwerk verteilen sich die Erlöse aus
Zuzahlung für die Abfallverbrennung und Erzeugung von Elektroenergie im Verhältnis von
ca. 2/3 zu 1/3. Für beide Prozesse gilt, dass die Volllastbenutzungsstunden maßgeblichen
Einfluss auf die Wirtschaftlichkeit und Rentabilität der Anlage besitzen.
Ein Stillstand der Turbine aus Gründen der Kesselverschmutzung oder nicht
ordnungsgemäßer Dampfzusammensetzung bei weiterem Betrieb der Verbrennung reduziert
oder verhindert einen wirtschaftlichen Betrieb.
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7.0 Resümee und Zusammenfassung
Durch sorgfältige und gewissenhafte Planung, Umsetzung der Daten in das Design der Anlage
und geeignete Werkstoffe lassen sich bei Kraftwerken und MVAs hohe elektrische
Wirkungsgrade und eine hohe Verfügbarkeit erzielen. Hierbei sollte immer der Stand der
Technik zusammen mit dem vertretbaren Stand der Wissenschaft umgesetzt werden.
Die Verfügbarkeit der Komponenten Dampferzeuger und Turbine haben maßgeblichen
Einfluss auf die Rentabilität eines Kraftwerkes oder einer Müllkraftwerkes. Von größter
Wichtigkeit hierbei ist die ordnungsgemäße bauliche Ausführung der Kesselkomponenten und
der Turbine, jeweils angepasst auf die jeweiligen Vorgaben und Aufgaben. Diese sollten zu
Beginn einer Neuplanung oder der Planung eines Retrofits untersucht, hinterfragt und
schriftlich niedergelegt werden.
In diesem Zusammenhang sollte das Kesselspeisewasser immer den Vorgaben für die
Dampfreinheit entsprechen, oder besser, diese unterschreiten. Damit ist aus dieser Sicht ein
langer störungsfreier Betrieb erreichbar. Die Menge an Inhaltsstoffen ist zu minimieren und
das Speisewasser entsprechend zu konditionieren. Bewährt haben sich beispielsweise die
kombinierte Konditionierung mit Natronlauge (NaOH), Trinatriumphosphat (Na3PO4),
Ammoniak (NH3) und einem Amin.
Dampftrommeln sind so auszulegen, dass möglichst wenig Salze oder SiO2 in die
Verdampfer mitgerissen wird. So kann der Verdampfer und die nachgeschaltet Turbine ohne
Ablagerungen und/oder Erosion lange störungsfrei betrieben werden. Oberstes Ziel ist ein
sicherer Anlagenbetrieb und die Erzeugung von Elektroenergie.
Ein maßgeblicher Faktor für die Wirtschaftlichkeit eines Kessels mit Dampfturbine sind eine
möglichst hohe Anzahl an Volllastbenutzungsstunden. Jede zusätzliche und störungsfreie
Betriebsstunde verbessert das monetäre Ergebnis der Anlage. Ein Stillstand der Turbine aus
Gründen der Kesselverschmutzung oder nicht ordnungsgemäßer Dampfzusammensetzung bei
weiterem Betrieb der Verbrennung reduziert oder verhindert einen wirtschaftlichen Betrieb.
Seite 28 von 30
Literaturverzeichnis
[ 1]
Dr. rer. nat. H. E. Hömig, Metall und Wasser
Vulkanverlag Dr. W. Classen, Essen 1971
[ 2]
Dr. rer. nat. H. E. Hömig, Physikochemische Grundlagen der
Speisewasserchemie, Vulkanverlag Dr. W. Classen, Essen 1963
[ 3]
Prof. Dr.-Ing R.Dolezal, Hochdruck-Heissdampf,
Vulkanverlag Dr. W. Classen, Essen, 1.Auflage
[ 4]
Winkler, Dietrich, Fachkunde Kraftwerkschemie,
Leipzig: VEB Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie 1979
[ 5]
TRD, Technische Regeln für Dampferzeuger
[ 6]
VGB-R 450 L, Richtlinien für Speise-, Kesselwasser und Dampfqualität für
Kraftwerke / Industriekraftwerke, VGB PowerTech e. V. Essen 2006
[ 7]
VGB-M 222, Merkblatt, Hinweise für die Ausschreibung von
Abhitzedampferzeugern hinter Gasturbinen, VGB PowerTech e. V.
Essen 2008
[ 8]
Dr. rer. nat G. Wieland, Wasserchemie, Steinmüller Taschenbuch
Vulkanverlag Dr. W. Classen, Essen 1971
[ 9]
P.Pracht, H. Büskens, E. Ullrich, Wasser, Babcock-Handbuch,
Deutsche Babcock & Wilcox-Dampfkessel-Werke AG, Oberhausen 1966
[10]
Kastner, Riedle, Tratz: Experimentelle Untersuchung zum Materialabtrag
durch Erosionskorrosion, VGB-Kraftwerkstechnik 64, Heft 5, Mai 1984
[11]
Diverse Betriebsaufschreibungen und Zeichnungsausschnitte
[12]
Hans-Günter Heitmann: Chemie und Korrosion in Kraftwerken,
Vulkanverlag, Essen 2000
[13]
FDBR-Norm 156 Berechnung der Dampfraum- und Wasserspiegelbelastung,
Fachverband Dampfkessel-, Behälter- und Rohrleitungsbau E. V. (FDBR)
Düsseldorf, März 1992
[14]
VGB-R513, Richtlinie „Innere Reinigung von WasserrohrDampferzeugeranlagen und Rohrleitungen“
Seite 29 von 30
[15]
Jörn Wandschneider, Udo Seiler, Gerhard Hölter, Thomas Willmann,
„Steigerung des elektrischen Wirkungsgrades bis 30% durch eine
Hochleistungskesselanlage am Beispiel der HR-AVI-Amsterdam“
In: Karl J. Thomè-Kozmiensky, Optimierung der Abfallverbrennung 1,
Neuruppin: TK Verlag Thomè-Kozmiensky, 2004
[16]
Dr. Karl-Friedrich Schröder, Retrofit von Dampfturbinen, Vortrag Alstom
2005
[17]
Dr. Helmut Rode, Entwicklungslinien der Braunkohlekraftwerkstechnik,
Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktor-Ingenieurs,
Universität Duisburg-Essen, 2004
Seite 30 von 30