Optimierung eines konventionellen Kraftwerksanfahrprozesses durch
Beheizung dickwandiger Bauteile
Kurzfassung Masterarbeit- Julia Hentschel
Motivation
Die erweiterte Förderung der erneuerbaren Energien durch das Erneuerbare-Energien-Gesetz von
2012 bedingt eine weitreichende Veränderung der Struktur des Energieerzeugungsmarktes. Um die
vorrangige Einspeisung des erneuerbar erzeugten Stromes in das Übertragungsnetz zu
gewährleisten, ohne dabei die Systemstabilität zu gefährden, muss der Netzbetreiber in den
wirtschaftlich optimierten Fahrplan der konventionellen Erzeugungseinheiten eingreifen. Die
Flexibilisierung der Lastanforderungen über die Nutzung der Regelleistung hinaus führt zu einer
Änderung der Betriebsanforderungen an den fossil befeuerten Kraftwerkspark. Konventionelle
Steinkohlekraftwerke werden zunehmend in den Mittel- und Spitzenlastbereich verschoben. Dies
führt zu vermehrten Kraftwerksan- und abfahrten sowie zu einer deutlich gesteigerten Anzahl von
lastwechseln. Durch eine Veränderung der An- und Abfahrgradienten, den Betrieb bei Teillast und
häufigere Stillstände treten vermehrt Schadensereignisse auf, die in Zusammenhang mit dieser
Flexibilisierung stehen. Beispiele hierfür sind Ermüdungsanrisse an dickwandigen Komponenten,
Schäden durch Dehnungsrisskorrosion an Entleerungsleitungen oder im Umwälzsystem und durch
behinderte Wärmedehnung an Membranwänden. Um Ermüdungsanrisse an dickwandigen
Komponenten zu vermeiden, gilt es einen möglichst geringen zusätzlichen lebensdauerverbrauch der
Anlagen durch Temperaturtransienten an diesen Bauteilen sicherzustellen. Der lebensdauerverbrauch von dickwandigen Kraftwerkskomponenten setzt sich im Wesentlichen aus Kriechen und
Ermüdung zusammen. Durch die Verschiebung des Betriebsbereiches und die erhöhte Anzahl an
Anfahrvorgängen wird die Ermüdung zukünftig die Lebensdauer eines Bauteils bestimmen. Ein
Ansatz zur Minimierung des Lebensdauerverbrauchs durch Ermüdung ist die Optimierung eines
Anfahrprozesses durch eine gezielte elektrische Beheizung der dickwandigen Anlagenkomponenten.
Ziel ist neben einer Reduzierung der Ermüdung die technische und kommerzielle Bewertung einer
zusätzlichen Beheizung bezüglich der Investitionen und Einsparungspotenziale. Zur Klärung dieser
Fragestellungen wurde ein numerisches Modell der dickwandigen Komponenten mit der
dynamischen Prozesssimulationssoftware APROS 6 (Advanced Process Simulation Environment)
erstellt. Exemplarisch betrachtet werden die Dampftrommel, der Hochdruck (HD) - und der
Zwischenüberhitzer (ZÜ)- Sammler. Basierend auf der Temperaturverteilung erfolgt die Bestimmung
der resultierenden Spannungen und des Lebensdauerverbrauchs nach den Berechnungsvorschriften
der DIN EN 12952-3 für Wasserrohrkessel und Anlagenkomponenten Teil 3: Konstruktion und
Berechnung für drucktragende Kesselteile. Ausgehend von Berechnungen mit konstanter
Anfahrdauer wurde untersucht, inwieweit sich der lebensdauerverbrauch durch Ermüdung mithilfe
einer elektrischen Oberflächenbeheizung verringern lässt. Dazu wurde die Beheizungskurve eines,
den technischen Anforderungen entsprechenden parametrierten, elektrischen Beheizungssystems
über der Zeit optimiert.
Schädigungsmechanismen dickwandiger Bauteile im Kraftwerksbetrieb
Der Betrieb thermischer Kraftwerke ist durch ein Zusammenspiel von zyklischen Belastungen aus
Druck und Temperatur gekennzeichnet. Bedingt durch die hohen Betriebsdrücke bei erhöhter
und
auftretender
Wärmespannungen
entstehen
Kriechund
Werkstofftemperatur
Ermüdungsbeanspruchungen. Besonders betroffen sind davon hohlzylindrische, dickwandige
Komponenten mit Abzweigungen wie die Trommel und Sammler des Verdampfers, die
Dampfleitungen, das Turbinengehäuse sowie die Überhitzer- und ZÜ-leitungen. Damit die
kombinierte Materialbeanspruchung aus hohem Innendruck und Wärmespannungen durch eine
instationäre Temperaturverteilung in der Bauteilwand bewertet werden kann, sind
Spannungsanalysen der kritischen Bauteile in Abhängigkeit der Zeit notwendig. Anhand dieser
Spannungsanalysen erfolgt eine Beurteilung des auftretenden Lebensdauerverbrauchs und der
zulässigen Laständerungsgeschwindigkeiten während eines Anfahrvorganges.
Omax
-----------T - _ , - - - - - - - {
Overall material
fatlgue range
Omax-Om!n
·600
/
/I
/ I
/
/
//
time
Abbildung 1: Theoretischer Spannungsverlauf für An- und Abfahrvorgang [Fontaine 2007]
Abbildung 1 zeigt den theoretisch erwarteten Spannungsverlauf über der Zeit eines Kaltstarts mit
anschließendem Abschaltvorgang. Die Spannungen setzen sich aus thermischen und mechanischen
Spannungen zusammen. Beim Anfahren wirken die thermischen Spannungen als Druckspannung
(negativ) und damit entgegen der Zugspannung (positiv) in der Behälterwand aufgrund des
lnnendrucks. Beim Abschaltvorgang wirken die thermischen Spannungen als Zugspannung in die
gleiche Richtung wie die Spannung aufgrund des lnnendrucks. Zu erkennen ist, dass sich die
thermischen Spannungen nach einem Minimum durch den darauf folgenden Temperaturausgleich
über der Bauteilwand abbauen. Sobald Druck und Temperatur ihre Betriebswerte für Volllast erreicht
haben, gleicht sich das Temperaturprofil an und die thermischen Spannungen werden nahezu null.
Danach wirkt lediglich die Zugspannung aufgrund von innerem Überdruck auf die Bauteilwand. ln
diesem Betriebsbereich wird der Lebensdauerverbrauch maßgeblich durch Kriechen bestimmt. Beim
Abfahrprozess wiederum wirken die auftretenden Wärmespannungen aufgrund der langsameren
Abkühlung der Außenwand nicht mehr als Druck-, sondern als Zugspannung. Dadurch addieren sich
die Zugspannungen aus Druck und Temperatur in diesem Bereich des Lastwechsels. Typischerweise
liegt der Ermüdungswert eines Kaltstarts über dem der Warm- und Heißstarts.
Anfahrvorgänge sind für die Bestimmung des Lebensdauerverbrauches durch Ermüdung besonders
relevant, da die auftretenden Wärmespannungen aufgrund der Wärmespeicherung im Material der
Kraftwerkskomponenten deutlich größer sind, als bei instationären Vorgängen während des
Normalbetriebes. Die Art des Startvorganges richtet sich nach dem Temperatur- und Druckzustand
des Kessels zu Beginn des Anfahrprozesses. Im Rahmen der durchgeführten Spannungsanalysen wird
zwischen Kalt-, Warm- und Heißstart unterschieden und jeweils ein Beispiel berechnet.
Beheizungsstrategie
Um die Wandtemperaturdifferenz während eines Anfahrvorganges zu mm1m1eren, wird hier
untersucht, inwieweit die Außenwandtemperatur durch eine äußerliche, elektrische Beheizung an
die Innentemperatur angepasst werden kann. Die Herleitung einer geeigneten Beheizungskurve
basiert auf ersten Ergebnissen der Spannungsberechnung für die Referenzfälle des Kaltstarts. Die
betragsmäßig größten thermischen Spannungen (Minimum aufgrund induzierter Druckspannung)
ergeben sich zum Zeitpunkt der maximal auftretenden Wandtemperaturdifferenz l'lT =Tm- Ti.
Um das Spannungsminimum durch eine Beheizung zu reduzieren, muss folglich die
Wandtemperaturdifferenz l'l T möglichst gering gehalten werden, sodass die Innen- und
Außenwandtemperaturen sich angleichen. Da eine elektrische Beheizung ausschließlich auf der
Behälteraußenseite erfolgen kann, wird hierdurch maßgeblich die Temperatur an der Außenwand
Ta beeinflusst. Anhand des Temperaturverlaufs an der Außenwand wird die Temperaturkurve für die
Beheizungselemente abgeleitet. Als Auslegungspunkt für die Nenntemperatur der Beheizung dient
ein Knick im Verlauf der Temperaturdifferenzl'lT
Ta- Ti. Zum Zeitpunkt des abrupten Abfalls von
l'lT muss die Beheizung bereits auf Nenntemperatur sein, um effektiv zur Spannungsminderung
beitragen zu können. Eine Beheizung über diese Temperatur hinaus ist aufgrund der, im späteren
Verlauf abklingenden Druckspannungen nicht sinnvoll.
=
Referenzberechnungen
Ausgehend von Messdaten für Kalt-, Warm- und Heißstart jeweils mit Abschaltvorgang sowie für
Lastwechsel von 40% auf 100% wurden Referenzberechnungen ohne Beheizung und
Beschleunigung des Anfahrvorganges für alle drei betrachteten Komponenten durchgeführt.
Daraufhin wird die mögliche Reduzierung der Ermüdung durch eine elektrische Oberflächenheizung
bestimmt. Auf Basis der Ergebnisse mit Beheizung wird weiterhin eine mögliche Beschleunigung der
Kaltstarts um 30% betrachtet. Der Spannungsverlauf für den HO-Sammler eines Kaltstarts ist in
Abbildung 3 gestrichelt dargestellt. Aus den Referenzberechnungen ergibt sich, dass die thermische
Spannung einen starken Einfluss auf die auftretende Spannungsschwingbreite an den Sammlern hat,
während bei der Dampftrommel die mechanische Spannung limitierend wirkt. Für ein definiertes
Lastkollektiv mit Kalt-, Warm- und Heißstarts sowie Lastwechseln und dazugehörigen
Abschaltvorgängen aus Volllast ergibt sich ein Gesamtlebensdauerverbrauch Dt von 61% für die
Trommel, 43% für den HO-Sammler und 13% für den ZÜ-Sammler.
Unter Betrachtung verschiedener Arten von Anfahrprozessen und Lastwechseln zeigt sich die
Trommel aufgrund der Beanspruchung aus Innendruck als limitierendes Bauteil gegenüber dem
Lebensdauerverbrauch durch Ermüdung. Ursache dafür ist die große Bedeutung und hohe Anzahl der
Warmstarts für den Lebensdauerverbrauch der DampftrommeL Die Ermüdung pro Warmstart ist
aufgrund der geringen Drücke zu Beginn des Startvorgangs kaum geringer als die des Kaltstarts. Um
die Schädigung der Trommel durch Ermüdung zu mindern, sind deshalb die Warmstarts in gleicher
Weise wie die Kaltstarts zu betrachten. Lastwechsel und Heißstarts sindtrotzihrer großen Häufigkeit
als unkritisch zu bewerten.
Für den HO-Sammler ergibt sich durch die Simulationen, dass der Großteil des
Lebensdauerverbrauchs für einen Kaltstart aus einem Überschwingen der Frischdampftemperatur
vor dem Öffnen des HO-Bypasses resultiert. Die Reduktion der thermischen Spannungen durch eine
Beheizung konzentriert sich deshalb auf diesen Bereich. Aufgrund des hohen Anteils der thermischen
Spannungen an der Gesamtspannungsschwingbreite sind die Ermüdungswerte für den Warmstart im
Gegensatz zur Dampftrommel gegenüber dem Kaltstart deutlich reduziert. Abbildung 2 zeigt die
Spannungsschwingbreiten 2ava der Referenzfälle ohne Beheizung für die betrachteten
Komponenten. Der Anteil der thermischen Spannungen bestimmt, in wieweit die Gesamtspannungsschwingbreite 2ava und damit der Lebensdauerverbrauch durch Ermüdung mit einer Beheizung
verringert werden kann.
Für die Trommel setzt sich die Schwingbreite während des Anfahrvorganges durch die
Prozessgrößenführung beinah ausschließlich aus Zugspannungen infolge des Innendruckes
zusammen. Diese lassen sich durch eine Beheizung nicht beeinflussen. Dem gegenüber ergibt sich für
den HO-Sammler ein großer Anteil der thermisch induzierten Druckspannungen an der
Spannungsschwingbreite von über 50%, die sich durch eine Beheizung beeinflussen lassen.
IZO
1
Spannungq
*normiert
%
100
80
60
40
20
0
-20
-40
-60
Trommel
• Maximalspannung Anfahren
HO-Sammler
Minimalspannung Anfahren
zO-sammler
': Maximalspannung aus Abfahren
Abbildung 2: Spannungsschwingbreite 2rrva der Komponenten für die Referenzfälle
Außenwandbeheizung bei konstanter Anfahrtsdauer
Im Vergleich zu den Ergebnissen der Referenzberechnungen ergibt sich durch eine Beheizung der
Rohraußenwand eine Veränderung des Spannungsverlaufs. Durch die Beheizung verändert sich das
Verhältnis zwischen Außen- und Innenwandtemperatur und die Außenwandtemperatur liegt
zeitweise oberhalb der lnnenwandtemperatur. Der Verlauf der mittleren Temperaturänderung spielt
dabei eine erhebliche Rolle, da hierdurch die thermische Lochrandspannung bestimmt wird. Den
Einfluss des veränderten Temperaturprofils auf den Spannungsverlauf zeigt Abbildung 3 am Beispiel
des HO-Sammlers. Zu Beginn erhöhen sich die thermischen Spannungen und damit die
Gesamtspannung durch Einbringen von Zugspannungen durch die Beheizung. Dies hat jedoch keinen
Einfluss auf die Spannungsschwingbreite 2rrva' da das erreichte Spannungsniveau deutlich unterhalb
des Spannungsmaximums beim Kaltstart liegt. Der Betrag des Spannungsminimums der thermischen
Spannungen reduziert sich um 67%. Dies entspricht einer Ermüdungsreduktion /'!. 1/N um 94,80%
pro Kaltstart. Damit verringert sich die Ermüdung für Bauteile mit signifikantem Anteil der
thermischen Spannungen an der Gesamtspannungsschwingbreite 2rrva durch eine Beheizung
erheblich. Eine Skalierung der Beheizungsstrategie des HO-Sammlers auf die Dampftrommel bewirkt
bei entsprechenden Beheizungsparametern eine Reduzierung von 2rrva um 1,26 %. Für die
Dampftrommel bedeutet das eine Reduzierung des Lebensdauerverbrauchs durch Ermüdung um
1'!.1/N = 5,56 %.
Außenwandbeheizung bei verkürzter Anfahrtsdauer
Inwiefern sich eine Beheizung bei einer Beschleunigung der Anfahrvorgänge einsetzen lässt und
dabei den Lebensdauerverbrauch verbessern kann, wird anhand einer Beschleunigung des
Kaltstartvorganges um 30% am Beispiel der Trommel und des HO-Sammlers untersucht Für den HOSammler bewirkt die Beschleunigung um 30% eine Erhöhung von 2rrva eine damit verbundene
Steigerung des Lebensdauerverbrauchs um 75 %. Durch die Beheizung des beschleunigten
Anfahrvorganges wird das Minimum der thermischen Spannungen abgefangen und damit ein Anstieg
des Lebensdauerverbrauchs verhindert. Der beschleunigte Anfahrvorgang mit Beheizung erreicht
damit Spannungs- und Ermüdungswerte, die sogar unterhalb der Werte des Referenzlaufs liegen.
Eine Senkung von /'!.2rrva bewirkt hier eine Reduktion des Gesamtlebensdauerverbrauchs um 88% im
Vergleich zur Referenz ohne Beheizung und Beschleunigung.
Bei der Trommel wirkt sich die Beschleunigung kaum auf die thermischen Minimalspannungen aus
und somit ergibt sich bei einer zeitgleichen Beheizung nur eine geringfügige Verbesserung der
Ermüdung 1/N um 11 %. Grund hierfür ist die Zeitunabhängigkeit der Zugspannungen aus
lnnendruck, welche durch den Maximal- und Minimaldruck in der Trommel bestimmt sind. Die
zeitabhängigen Temperaturspannungen vergrößern sich zwar bei einem beschleunigten Kaltstart,
werden aber weiterhin von den hohen Zugspannungen kompensiert und haben deshalb keinen
wesentlichen verschlechternden Einfluss auf den Lebensdauerverbrauch durch Ermüdung.
300
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Spannungu
Gesamtspannung ~
Mechanische Spannung
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Rohraußenwand
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Spannung
Gesamtspannung
-Thermische Spannung
--- Thermische Spannung ohne Beheizung
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Abbildung 3: Spannungsverlauf HD-Sammler ohne/mit Beheizung der Rohraußenwand
Daraus ergibt sich, dass für die Trommel kein relevanter Nutzen durch eine Beheizung entsteht.
Durch den geringen Einfluss der thermischen Spannungen ergibt sich andererseits, dass auch eine
Beschleunigung des Anfahrvorganges sich auf die Trommel lediglich begrenzt auswirkt. Bei den
Sammlern ist der Einfluss der thermischen Spannungen an der Spannungsschwingbreite maßgeblich
für den Lebensdauerverbrauch und eine Beheizung deshalb sinnvoll. Denkbar ist darum eine
Beschleunigung der Anfahrvorgänge mit Beheizung der kritischen Komponenten mit hohem Anteil an
thermischen Spannungen. Dafür sollten im Vorfeld, aufbauend auf einer Spannungsanalyse eines
Lastzyklus die Lebensdauer limitierende Komponente und der überwiegende Spannungsanteil
(mechanisch oder thermisch) an 20"va bestimmt werden. Die auftretenden thermischen Spannungen
können durch die Beheizung deutlich verringert werden.
Der finanzielle und technische Aufwand durch Investition, Montage- und zusätzliche
Wartungsarbeiten stehen einem großen wirtschaftlichen Vorteil durch Reduktion des notwendigen
Brennstoffes und damit der Kosten pro Anfahrvorgang bei einer Beschleunigung der Anfahrprozesse
gegenüber. Die mögliche Beschleunigungsrate ist dabei lediglich auf den Lebensdauerverbrauch der
dickwandigen Bauteile bezogen.
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