Lastwechsel und Kesselmetalle: So retten Sie Ihr Kraftwerk

Da viele Kohlekraftwerke, die für den Grundlastbetrieb ausgelegt sind, zyklisch betrieben werden müssen, kam es zu unvorhergesehenen Belastungen der Kesseldruckteile. Das Verständnis der Auswirkungen und die Umsetzung von Abhilfestrategien könnten einen vorzeitigen Komponentenausfall verhindern und den zuverlässigen Betrieb der Anlagen gewährleisten.

Am 3. August 2015 stellte die US-Umweltschutzbehörde den Clean Power Plan fertig, der eine Reduzierung der Kohlenstoffbelastung durch bestehende Kraftwerke vorsieht. Diese Regel könnte zusammen mit niedrigen Erdgaspreisen dazu führen, dass erdgasbetriebene Anlagen häufiger für die Grundlaststromversorgung genutzt werden und Kohlekraftwerke häufiger als je zuvor umgerüstet werden, um den Netzanforderungen gerecht zu werden.

Die Mehrzahl der Kohlekraftwerke wurde als Grundlastanlage konzipiert und gebaut, ohne dass mit erheblichen Laständerungen zu rechnen war. Aber Verbrennungsturbinen und Abhitzedampferzeuger bieten höhere thermische Wirkungsgrade (etwa 60 %) als kohlebefeuerte Kessel (die besten Dampfkraftwerke können mit einem maximalen Wirkungsgrad von etwa 40 % arbeiten), was ebenfalls zu einer Änderung der Versandtendenzen beiträgt.

Obwohl die Nachfrage nach Kohlekraftwerken weiterhin hoch ist, sind alternative Energiequellen aus ökologischer Sicht sehr attraktiv. Zunehmende schwankende erneuerbare Energiequellen wie Solar- und Windkraft setzen Kohlekraftwerke zusätzlich unter Druck, der Last zu folgen. Lastwechsel in Kohlekraftwerken haben jedoch langfristige und kurzfristige negative Auswirkungen auf die Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit der Anlagen.

Der Lastwechsel kann Niedriglastbedingungen, Heißstart, Warmstart und/oder Kaltstart umfassen. Wie der Begriff schon sagt, liegt ein Niedriglastzustand vor, wenn die Leistung reduziert wird und das Gerät ohne Abschaltung mit minimaler Last betrieben wird. Wenn ein Gerät täglich ein- und ausgeschaltet wird, erfolgt normalerweise ein Warmstart. Warmstarts erfolgen im Allgemeinen bei Einheiten, die vier bis fünf Tage lang ununterbrochen in Betrieb sind und dann am Wochenende abgeschaltet werden, während ein Kaltstart auf einen längeren Wartungsstillstand folgt (normalerweise hat die Anlage für diese langen Wartungszeiträume ein Layup-Verfahren implementiert).

Im Folgenden sind die häufigsten unerwünschten Auswirkungen dieser Art von Fahrradeinsätzen aufgeführt.

Kriechmüdigkeit. Versorgungskessel werden aus unterschiedlichen Materialien und Stärken hergestellt. Diese Materialien dehnen sich unterschiedlich schnell aus und ziehen sich zusammen. Zusätzlich zu Kriechschäden kommt es bei Hochtemperaturkomponenten wie Überhitzern und Zwischenüberhitzern zu thermischer und mechanischer Ermüdung. Der kumulative Effekt wird als Kriechermüdung bezeichnet.

Der resultierende Schaden ist viel schwerwiegender als ein eigenständiger Kriech- oder Ermüdungsschaden. Unter zyklischer Belastung kommt es in den Rohr-Kopf-Schweißnähten aufgrund einer Kombination aus Ermüdungs- und Umfangsspannungen zu Rissen. Ermüdungsspannungen können durch Relativbewegungen zwischen den Bauteilen entstehen, insbesondere beim Aufwärmen oder Abkühlen oder bei Lastwechseln aufgrund transienter Spannungen. Ermüdungsbeanspruchungen können auch durch unzureichende Flexibilität der Rohrschenkel, fehlerhafte Halterungen/Befestigungen oder starre Befestigungen an den Druckteilen vorliegen.

Bänderriss. Einzelne Hochtemperatur-Überhitzungs- (SH) und Nacherwärmungsrohre (RH) können aufgrund von Schwankungen in der Wärmeverteilung, Verschlackung, Verschmutzung und Fehlausrichtung bei unterschiedlichen Temperaturen betrieben werden. Daher tritt Dampf mit unterschiedlichen Temperaturen in den Sammler ein.

Lastwechsel verstärken den Temperaturunterschied zwischen den einzelnen Rohren, da die Feuerungsrate bei Laständerungen angepasst wird, um Druck und Temperatur aufrechtzuerhalten. Bei einer Lasterhöhung kommt es zu einer vorübergehenden Überhitzung des Kessels, bei Lastreduzierung kehrt sich der Zustand um. Dies führt zu vorübergehenden thermischen Schocks am Kopfteil, die zu Bänderrissen führen.

Thermische Ermüdung des Hochtemperaturkreislaufs. Zusätzlich zu diesen thermischen Spannungen können die externen Spannungen, die mit der Ausdehnung und Kontraktion des Sammlers einhergehen, zu Schäden an den Zykleneinheiten führen, was zu Ermüdungsrissen an den Befestigungen führt. Eine zusätzliche Ermüdungskomponente kann überall dort auftreten, wo Komponenten durch Schweißen verbunden werden, da sich verschiedene Teile unterschiedlich schnell ausdehnen und zusammenziehen. Obwohl die Ermüdungskomponente innerhalb der Dauerfestigkeit liegt, beeinflusst sie die Kriecheigenschaften der Komponenten.

Übertemperierung. Kriechfestigkeitsverstärkte ferritische Stähle (CSEFs) wie T91 und T23 erfreuen sich in modernen Kraftwerken großer Beliebtheit, da sie höhere zulässige Spannungen und bessere Kriecheigenschaften bieten als ihre Vorgängerstähle wie T22 und T11. Es gibt jedoch einige inhärente Probleme bei der langfristigen Wartung der CSEF-Stähle. Der Einsatz von CSEFs in stark zyklischen Einheiten, insbesondere in Nacherwärmungskreisläufen, beeinträchtigt die hervorragenden Eigenschaften, die durch eine präzise Wärmebehandlung erzielt werden, erheblich, was zu vorzeitigen Ausfällen führt.

Schweißnähte aus unähnlichen Metallen. Schweißnähte aus unterschiedlichen Metallen (DMWs) werden sehr häufig in Hochtemperaturkreisläufen verwendet, um Materialübergänge zu erleichtern. Lastschwankungen führen zu erheblichen vorübergehenden thermischen und unterschiedlichen Belastungen der DMWs. Diese Schweißnähte unterliegen nicht nur Kriechen, sondern sind auch anfällig für Kriechermüdungsversagen. Lastwechsel verkürzen die Nutzungsdauer eines DMW erheblich.

Kondensat an Tiefpunkten. Kondensat sammelt sich normalerweise in den entfernten Abschnitten der SH- und RH-Kreise an, was zu zwei Hauptproblemen führt: thermische Ermüdung und kurzfristige Überhitzung. Der zwischen den Sammlern und dem Dampf bestehende Temperaturunterschied kann zu thermischen Ermüdungsrissen und Bänderrissen führen. Warmstarts führen zu erheblichen thermischen Ermüdungsschäden, da der Temperaturunterschied normalerweise höher ist.

Schnelle Startbedingungen können zu kurzfristigen Überhitzungsausfällen führen, da Kondensat an den Tiefpunkten des Systems zu erhöhten Metalltemperaturen stromabwärts führen kann (Abbildung 1). Die Zugfestigkeit des Stahls nimmt erheblich ab, sobald die Auslegungstemperatur überschritten wird. Auch schnelles An- und Abfahren sowie Lastwechsel können zum Abblättern der Oxidablagerungen am Innendurchmesser führen. Bei übermäßigem Abblättern kann es zur Verstopfung von Biegungen oder zu Erosionsschäden in der Turbine kommen.

Thermische Ermüdung des Schaltkreises bei niedrigen Temperaturen. In Niedertemperaturbereichen des Kessels verursacht der Lastwechsel auch thermische Ermüdungsrisse in den Einlasssammlern oder -rohren des Economizers, den Rohren oder Sammlern der unteren Ofenwand und den Innenteilen der Dampftrommel. Diese Ermüdungsrisse entstehen hauptsächlich durch das Eindringen von relativ kälterem Wasser in heiße Kesselkomponenten oder umgekehrt.

Korrosionsermüdung. Lastwechsel verschärfen die Korrosionsermüdung an Wasserwandrohren, da die Differenzspannungen an Wasserwandrohren beim Anfahren und bei Lastwechseln höher sind. Korrosionsermüdung ist nicht nur ein Problem der Zuverlässigkeit, sondern auch ein Sicherheitsrisiko, da Ausfälle normalerweise auf der kalten Seite des Kessels auftreten.

Zu den für das Auftreten von Korrosionsermüdung erforderlichen Bedingungen gehören entweder eine zu hohe Sauerstoffkonzentration im Kesselwasser oder ein pH-Wert außerhalb des Kontrollbereichs, während gleichzeitig die Spannungen hoch genug sind, um die Magnetitschicht zu zerstören (Abbildung 2). Korrosionsermüdung tritt auf, wenn Betriebs- oder Restspannungen die schützende Magnetitschicht (Fe3O4) zerstören und den blanken Stahl der korrosiven Umgebung aussetzen (Abbildung 3). Diese Belastungen sind in Übergangsphasen am höchsten.

Ätzendes Fugenhobeln. Bei Anlagen mit Naturumlauf ist die Bildung von Ätzfugen ein bekanntes Problem, insbesondere bei geringer Last. In Einheiten mit natürlicher Zirkulation ist der Kühlmittelfluss auf bestimmte Rohre ausgerichtet, da er auf dem Dichteunterschied zwischen den heißen und kalten Flüssigkeiten beruht. Niedriglastbedingungen und Lastschwankungen spielen beim Kaustik-Fugenhobeln eine wichtige Rolle, da sich ständig ändernde Bedingungen zu wiederholten Störungen des Kühlmittelflusses führen. Die Strömungsstörungen führen dazu, dass sich die Lauge an den Rändern der Dampfblasen konzentriert. Ätzkonzentrationen entfernen die Schutzschicht aus Eisenoxid, was zu Rohrverschwendung führt (Abbildung 4).

Phosphatversteck. Phosphatablagerungen, eine von mehreren Formen der Korrosion unter Ablagerungen, treten normalerweise auf, wenn Geräte mit einer phosphatbasierten Behandlung betrieben werden. Die Auslagerung von Phosphat führt dazu, dass ionisches Phosphat bei Bedingungen mit hohem Wärmeeintrag verschwindet oder absorbiert wird, bei reduziertem Wärmeeintrag jedoch wieder ins Kesselwasser zurückkehrt oder sich darin auflöst. Phosphatauslagerungen begünstigen saure Phosphatkorrosion. Ein Hideout wird bei Lastschwankungen oder Anläufen bei wechselnder Wärmezufuhr sichtbar. Verschmutzte Kessel sind anfällig für Phosphatablagerungen und saure Phosphatkorrosion.

Aufgrund einer geringen Last, eines Heißstarts, eines Warmstarts oder eines Kaltstarts wird es immer zu nachteiligen Auswirkungen auf die Gerätezuverlässigkeit kommen. Jede dieser Bedingungen wirkt sich auf die eine oder andere Weise auf die Integrität der Druckteile aus. Es wurde allgemein beobachtet, dass Warmstarts den größten Schaden an der Ausrüstung verursachen, da der Temperaturunterschied höher ist und die Anfälligkeit für Luftlecks größer ist als bei anderen Zyklusbedingungen.

Im Folgenden finden Sie einige nützliche Strategien zur Minderung von Geräteschäden.

Fügen Sie mehr Schlauchflexibilität hinzu. Ermüdungsbeanspruchungen entstehen häufig durch unzureichende Flexibilität der Rohrschenkel zwischen Rohrdurchführungen und Sammelrohr sowie durch starre Befestigungen am Rohr. Mehr Flexibilität und ein besseres Befestigungsdesign reduzieren die Ermüdungsbelastungen. Manchmal ist möglicherweise eine Header-Verschiebung erforderlich, um mehr Flexibilität zu bieten.

Verwenden Sie Gleitaufsätze. Viele ältere Geräte waren mit starren Befestigungen ausgestattet. Anstelle starrer Befestigungen sollten Gleitbefestigungen verwendet werden, um unterschiedliche Wärmeausdehnungen auszugleichen.

Neugestaltung für symmetrische und weit auseinander liegende Rohrdurchführungen. Mehrere ältere Anlagen wurden mit eng beieinander liegenden, unsymmetrischen Rohrdurchdringungen entworfen, die anfällig für Bänderrisse sind. Es ist bekannt, dass gleichmäßig verteilte, größere Bänder weniger anfällig für Kriechermüdungsschäden sind (Abbildung 5).

Eine Neugestaltung der Rohrlochdurchdringungen und der Konfiguration der Rohr-Kopf-Schweißnaht, insbesondere die Beseitigung der Kerbe wegen fehlender Schmelzverbindung am Ende der Rohrdurchdringung, kann ebenfalls die Kriechermüdungsbeständigkeit erhöhen. Die Einbeziehung einer glatten Fase am Innendurchmesser der Kopfbohrung verringert die Spannungskonzentration (Abbildung 6) und verbessert so die Kriechermüdungsbeständigkeit.

Führen Sie regelmäßige Inspektionen durch. Die meisten Probleme im Zusammenhang mit Rohrleitungen hängen mit Aufhängern und Stützsystemen zusammen. Eine gute Konstruktion der Befestigung ist entscheidend für die Minimierung der Kriechermüdung. Durch die regelmäßige Überprüfung der Anbaugeräte und die Behebung von Mängeln werden ermüdungsbedingte Probleme reduziert. Die Enden der Befestigungen sollten sich zur Oberfläche hin verjüngen, um lokale Spannungskonzentrationen zu reduzieren. Mangelnde Durchdringung der Verbindungsschweißnähte kann zu heißen Stellen führen, an denen die Wärme nicht effektiv abgeleitet werden kann, oder die Spannungskonzentrationen erhöhen. Eine gute Schweißkonstruktion und die Einhaltung der Schweißverfahren sind unerlässlich.

Niedrigere Rampenraten. Vorübergehende Belastungen aufgrund von Lastwechseln beeinträchtigen die Nutzungsdauer eines DMW. Transiente Belastungen können durch langsamere Anläufe reduziert werden.

Verwenden Sie Zusatzmetalle auf Nickelbasis. Ein DMW kann mit oder ohne Zusatzmetall hergestellt werden, was eine begrenzte Lebensdauer hat. DMWs, die mit EPRI P87- oder Inconel-Füllmetall hergestellt werden, haben voraussichtlich eine längere Lebensdauer als solche ohne Zusatzmetall. Ein DMW, das aus Nickelbasis-Füllmetall hergestellt wird, verringert die Auswirkungen der Wärmeausdehnungsunterschiede zwischen Edelstahl und ferritischem Stahl.

DMWs verlegen. Belastungen und Temperaturen sind die entscheidenden Faktoren für die Lebensdauer eines DMW; Die Leistung kann durch die Kontrolle dieser Faktoren verbessert werden. Die Schweißverbindung kann an eine Stelle verlegt werden, an der sie niedrigeren Temperaturen ausgesetzt ist. Zur Reduzierung sekundärer Belastungen können häufige Inspektionen und Wartungsarbeiten an Rohraufhängern, Stützen und Abstandshaltern durchgeführt werden.

Backröhren. Kondensation in Hochtemperaturkreisläufen führt während der Anlaufphase zu großen Problemen. Die Rohre sollten lange genug gebacken werden, um das Kondensat zu verdampfen, bevor die Wärmezufuhr erhöht wird. Reduzieren Sie den Wärmegradienten zwischen Flüssigkeit und Metall während der Startphase. Obwohl Lastwechsel eine wichtige Rolle bei der thermischen Ermüdung spielen, spielt die thermische Ermüdung nach Erreichen des Gleichgewichts der Komponente keine wesentliche Rolle mehr.

Verwenden Sie geriffelte Schläuche. Der Einsatz von Riffelrohren in Bereichen, die anfällig für Korrosion unter Ablagerungen sind, kann eine bessere Strömungsmischung ermöglichen und so potenzielle Korrosionsprobleme vermeiden. Lastwechsel erhöhen die Anfälligkeit von Wasserwandrohren für Korrosionsermüdung erheblich. Schnelle Startvorgänge erhöhen die vorübergehenden Spannungen, da sich verschiedene Teile unterschiedlich schnell ausdehnen und zusammenziehen, wodurch schützende Oxide zerstört werden und blanke Rohre der korrosiven Umgebung ausgesetzt werden.

Verbessern Sie Schweißtechniken. In Bereichen, in denen es zu Korrosionsermüdung kommt, sollten Polsterschweißungen vermieden werden. Die Eigenspannungen beim Schweißen verstärken die Korrosionsermüdung. Darüber hinaus sollten schlechte Schweißprofile beseitigt werden, um die Spannungskonzentration zu verringern. Mangelnde Durchdringung der Verbindungsschweißnähte kann zu einer Erhöhung der Metalltemperaturen und der Spannungskonzentration führen.

Sorgen Sie für die richtige Wasserchemie. Es ist wichtig sicherzustellen, dass die Wasserchemie im Hinblick auf pH-Wert und Sauerstoffgehalt innerhalb des Bereichs liegt, insbesondere beim Anfahren oder bei Lastwechseln, um das Risiko einer Korrosionsermüdung zu verringern. Die Sauberkeit des Kessels muss aufrechterhalten werden, um das Risiko einer Phosphatauslagerung zu verringern. Verwenden Sie Trinatriumphosphate anstelle von Mono- oder Dinatriumphosphaten, um die Phosphatwerte zu erhöhen. Der Zusatz von Trinatriumphosphaten verursacht keine saure Phosphatkorrosion, der Zusatz von Mono- und Dinatriumphosphaten kann jedoch saure Phosphatkorrosion fördern.

Vermeiden Sie starke Abschlämmungen, da diese die Natriumphosphat-Verhältnisse erheblich beeinflussen und die Situation in Einheiten, die anfällig für saure Phosphatkorrosion sind, verschlimmern. Führen Sie regelmäßig Tests zur Gewichtsdichte der Ablagerungen durch, um festzustellen, wie verschmutzt der Kessel ist. Durch die Sauberkeit des Kessels werden die meisten wasserseitigen Probleme deutlich reduziert. ■

–Rama S. Koripelli, PhD ([email protected]) ist technischer Direktor für David N. French Metallurgists

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