Thermohydraulische Analyse von Kesselrohrausfällen

Eskom betreibt in Südafrika 23 Kraftwerke mit einer Gesamtkapazität von mehr als 42 GW. Es liefert etwa 95 % des gesamten im Land verbrauchten Stroms. In einem seiner Kohlekraftwerke kam es bei allen sechs Blöcken häufig zu Ermüdungsschäden an den Kesselrohren im Trichterbereich – dem unteren Teil des Kessels.

Die Kessel wurden mit einer komplexen Tragbalkenstruktur konstruiert, die den Kessel trägt und umgibt. Zwischen der Tragbalkenstruktur bzw. den Stützstreben und der Rohrwand sind schwenkbare Befestigungsmechanismen vorhanden, um eine Wärmeausdehnung zu ermöglichen und dennoch auf allen vier Seiten ausreichend Halt zu bieten.

Der Kessel kann sich während einer Startsequenz bis zu einem Meter nach unten ausdehnen. An den Eckverbindungsstellen des Trichters, wo die Böschungswände und die Vorder-/Rückwände zusammentreffen, werden Stützstreben zusammengefügt. Sie sind über gelenkige Elemente, sogenannte Buckstay-Verbindungsglieder, miteinander verbunden.

Diese Verbindungsstellen erfordern die Neuverlegung der umgebenden Vorder-/Rückwandrohre, was zu Diskontinuitäten in der Rohranordnung führt. Bei diesen Rohrmanipulationen wurden hohe Rohrversagensraten festgestellt und die Bereiche wurden als mögliche hochbeanspruchte Stellen angesehen.

Eine vermutete Ursache für die wiederholten Rohrausfälle (Abbildung 1) war, dass der zyklische Betrieb der Anlage zur Bewältigung der zunehmenden intermittierenden erneuerbaren Energieressourcen und des geringeren Strombedarfs außerhalb der Spitzenzeiten zu einer zyklischen Ermüdung des Rohrmaterials führte. Da die Anlage für den Dauerbetrieb unter Volllast ausgelegt war, führte die zyklische Ermüdung zu Komponentenschäden und Zuverlässigkeitsproblemen. Die Ausfälle führten zu außerplanmäßigen Stillständen, Notreparaturen und unerwarteten Kosten.

1. Ermüdungsversagen. Dieses Bild zeigt einen typischen Fehlerort eines Kesselrohrs im Eskom-eigenen Werk. Mit freundlicher Genehmigung: Flownex SE

Es wurde auch angenommen, dass die verzögerte Wirkung der Kühlwasserzufuhr zwischen zwei benachbarten Kesselrohren verschiedener Rohrbänke ein Faktor sein könnte, der zum Versagen durch thermische Ermüdung beiträgt. Das Argument ging davon aus, dass eine Wassersäule vom Economizer-Auslass zuerst die nächstgelegene Rohrbank, dann die zweite Bank und so weiter erreichen würde. Es wurde vermutet, dass dies zu einem erheblichen Flüssigkeitstemperaturunterschied zwischen dem äußersten Rohr der ersten Reihe und dem angrenzenden Rohr der zweiten Reihe führen würde.

Um die Hypothesen zu testen, wurde eine einzigartige Methode zur Einweg-Fluid-Struktur-Interaktion (FSI) entwickelt, um die induzierte Ermüdungsbelastung während eines Kesselstartzyklus zu modellieren und vorherzusagen. Der Flüssigkeitsfluss und die Wärmeübertragung wurden mithilfe eines von Flownex Simulation Environment bereitgestellten 1-D-Rohrströmungsmodellierungstools transient modelliert und anhand experimenteller Daten validiert. Der 1-D-Strömungslöser war ein Softwarepaket zur Simulation von Thermoflüssigkeiten, das zur Vorhersage, Gestaltung und Optimierung von Strömungsraten, Temperaturen und Wärmeübertragung in Flüssigkeitssystemen verwendet wurde. Der einseitige FSI-Modellierungsansatz ermöglichte die Kopplung einer transienten thermischen Belastung oder eines beliebigen vom Benutzer ausgewählten transienten Schritts mit einer von ANSYS bereitgestellten 3D-Finite-Elemente-Analyse (FEA)-Software zur Bewertung der thermisch induzierten Spannung.

Die Hälfte der vier Kesseltrichterwände wurde modelliert, um ein repräsentatives Muster des gesamten Trichterabschnitts zu erhalten. Im modellierten Bereich des Trichterabschnitts wurden außerdem Instrumente, darunter Thermoelemente und Dehnungsmessstreifen, installiert, um gemessene Anlagendaten zu erhalten. Das Flownex-Modell bestand aus 1.219 Röhren und 1.858 Eckpunkten/Knoten.

Die Fähigkeit von Flownex, das Strömungs- und Wärmeübertragungsverhalten von Flüssigkeit und Rohrwandmaterial im stationären und dynamischen Zustand grundlegend zu berechnen, wurde als ideal für die Tests angesehen. Unter Verwendung des gleichen Economizer-Auslasstemperaturprofils, das während der Anlagenmesssequenz erhalten wurde, zusammen mit angepassten gasseitigen Wärmeübertragungseigenschaften wurde ein dynamisches Startszenario modelliert, um die Ergebnisse des Modells mit denen der gemessenen Anlagendaten zu vergleichen. Eine Reihe weiterer Szenarien wurden ebenfalls erfolgreich modelliert.

Die aus dem Modell gewonnenen Ergebnisse stimmten sehr gut mit den gemessenen Anlagendaten überein (Abbildung 2). Durch die starke Korrelation konnte das Modell für verschiedene postulierte Anlagenzustände und Betriebsabläufe eingesetzt werden. Die Temperaturverteilungsergebnisse von Flownex wurden dann in ANSYS importiert, wo die Strukturspannungsanalyse durchgeführt wurde (Abbildung 3).

2. Validierung des Flownex-Modells. Die 1-D-Löser-Ergebnisse (bezeichnet als FNX Tc13 bis FNX Tc16) korrelierten sehr eng mit den Daten installierter Thermoelemente (bezeichnet als Tc13 bis Tc16). Mit freundlicher Genehmigung: Flownex SE

3. Mapping-Verfahren. Eine in einem computergestützten Zeichenprogramm erstellte 1-D-Liniengeometrie wurde in die Simulationssoftware Flownex importiert, um thermische Ergebnisse zu erhalten, die zur Spannungsanalyse in die ANSYS-Software exportiert wurden. Mit freundlicher Genehmigung: Flownex SE

Die Methodik ermöglichte die Untersuchung verschiedener Szenarien zur Bewertung von Fehlerursachen, ohne den Anlagenbetrieb zu beeinträchtigen. Es erleichterte auch die Modellierung der massiven Kesselstruktur, die mit 3D-Rechnerströmungssimulationen wirtschaftlich nicht möglich gewesen wäre.

Die Ergebnisse des entwickelten Modells zeigten, dass die Verzögerung der Wasserversorgung zwischen der äußersten Röhre der ersten Röhrenbank und der angrenzenden Röhre der zweiten Bank keine störenden Spannungen hervorrief, wie postuliert. Der maximale Temperaturunterschied wurde mit nur 2,2 °C berechnet. Es stellte sich heraus, dass dies auf die Leitung und thermische Trägheit der Rohrwände und des Gewebes zurückzuführen war, was zu einem sanften Übergang der Temperaturen benachbarter Rohrwände führte.

Nachdem extreme Temperaturunterschiede ausgeschlossen wurden, wurden die Auswirkungen struktureller Stützelemente in Form von geschweißten Stützplatten an den Stellen der Bockstag-Verbindungen bewertet. Die entwickelte Methodik erleichterte den Vergleich zwischen zwei betrachteten Fällen: erstens, wo die Gleitgelenkplatten der Buckstag-Verbindung vorhanden waren, und zweitens, einem Fall, wo diese Platten entfernt wurden (Abbildung 4). Bei der Auswertung dieser Szenarien zeigte das Modell deutlich, dass sich der Stress in Gegenwart der Platten verschlimmerte.

4. Gestresst. Hier werden Konturdiagramme angezeigt, die nach der maximalen Hauptspannung an der Stelle der Buckstag-Verbindung gefärbt sind, sowohl für den Fall, dass die Gleitgelenkplatte vorhanden (links) als auch entfernt (rechts) ist. Mit freundlicher Genehmigung: Flownex SE

Mit diesem neuen Wissen war Eskom in der Lage, Änderungen an der Kesselstruktur vorzunehmen, um die induzierte Spannung zu reduzieren. Es wurden Platten entfernt, wodurch die Belastung der Rohrwände erheblich reduziert wurde, ohne die Integrität der umgebenden Struktur zu beeinträchtigen.

Erste Daten, die nach der Änderung erhoben wurden, zeigten, dass die Belastung an den zuvor schadensanfälligen Stellen verringert wurde. Die über einen Zeitraum von zwei Jahren vor der Implementierung der Lösung gesammelten Belastungsdaten wurden mit den nach den Änderungen gesammelten Daten verglichen. Aus den zeitlich gemittelten Daten konnte gezeigt werden, dass die durchschnittliche Dehnung und die daraus resultierenden spannungsbedingten Ermüdungsbelastungen um etwa 50 % reduziert wurden.

Die Fähigkeit, durch Simulation Nichtverursacher von Fehlern zu eliminieren und potenzielle neue Fehlermechanismen zu identifizieren, hat sich als leistungsstarkes technisches Werkzeug erwiesen. Die entwickelte Einweg-FSI-Methodik hat sich als wirksam bei der Lösung von Problemen thermisch induzierter Spannungsermüdungsbelastungen infolge eines flüssigkeitsgekoppelten Wärmeflusses erwiesen. Aufgrund der Größe der betrachteten Probleme ist die Gewinnung eines thermischen Feldes aus der 3D-Rechnerströmungsdynamik, wie sie für strukturelle FEA-Randbedingungen verwendet wird, nicht praktikabel. Die 1D-zu-3D-Einweg-FSI-Kopplung ist nicht nur eine praktikable Alternative, sondern auch eine effektive und effiziente Lösung.

Ähnliche Probleme wurden auch bei verschiedenen anderen Eskom-Kraftwerken gemeldet. Die Identifizierung des Hauptfaktors für diese Belastungen kann zur Eindämmung zahlreicher Ausfälle aufgrund von Reparaturen von Rohrausfällen führen, was wiederum zu einem erheblichen finanziellen Vorteil für Eskom und einer verbesserten Zuverlässigkeit für die Kunden führt. ■

– Marius Botha und Michael P. Hindley waren Mitglieder des Forschungstest- und Entwicklungsteams von Eskom, die mit der Lösung des Rohrausfallproblems der Anlage beauftragt waren.

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