Grosskraftwerk Mannheim AG Plattform Fossile Brennstoffe

Plattform Fossile Brennstoffe
Grosskraftwerk Mannheim AG
- Bundesministerium für Wissenschaft, Forschung und Wirtschaft –
„Neue Werkstoffe für effiziente Kraftwerke,
Erfolge bei der 725°C-Teststrecke“
6. November 2015, A-1010 Wien
Klaus Metzger1, Rolf Stork1, Karl-Heinz Czychon1, Andreas Klenk2, Karl Maile2
1)
Großkraftwerk Mannheim AG 2) Materialprüfungsanstalt Universität Stuttgart
Agenda
Grosskraftwerk Mannheim (Produkte, Werksübersicht)
Hochtemperatur-Werkstoff-Teststrecke (HWT II)
 Ausgangssituation, Untersuchungsziele
 Konzept, Errichtung und Betrieb
 Wesentliche Ergebnisse
Ausblick
Zusammenfassung
Effiziente Strom- und Fernwärmeproduktion
Sichere, wirtschaftliche und umweltschonende Energie für Aktionäre und Bahn
50-Hz-Drehstrom
16,7-Hz-Bahnstrom
Fernwärme
RWE Power AG (40 %)
EnBW Kraftwerke AG (32 %)
MVV RHE GmbH (28 %)
DB Energie GmbH
MVV RHE GmbH
Das GKM erzeugt heute Strom für über 1,5 Millionen Menschen, Gewerbe, Industrie und
Bahn sowie Wärme für rund 120.000 Haushalte in Mannheim und der Region.
Werksübersicht: Gesamtleistung 2.146 MWel.
Werkübersicht mit Block 9
Blöcke 1-5, stillgelegt
2015
FW-Speicher
1500 MWhth
250 MWth
Nachschaltturbinen
Ferndampf
9
Blöcke
7
1/2
8
Stilllegung
1993
3
4
1966
1970
220
220
5
Stilllegung
2000
6
Inbetriebsetzung
Betriebsstunden (Th)
Starts (N)
05/2015
5
65
1983
250
715
1992
155
3.820
Leistung (MWel.)
911
475
480
Wirkungsgrad
(Auslegung) (%)
46,4
39,7
38,6
Brennstoff
Steinkohle
Schweres
Heizöl
Steinkohle
Schweres
Heizöl
Steinkohle
Schweres
Heizöl
Steinkohle
Schweres
Heizöl
Steinkohle
Schweres
Heizöl
Steinkohle
Schweres
Heizöl
Rauchgasreinigung
DeNOx
ESP,FGD
DeNOx
ESP,FGD
DeNOx
ESP,FGD
ESP,FGD
DeNOx
ESP,FGD
DeNOx
DeNOx
ESP,FGD
Fernwärmeversorgung
Fernheizwasser 1500 MW th und Dampf 240 MW th
Blöcke 1-5
stillgelegt
1975/2005
150
3.400
280
39,2
Ausgangssituation
Höhere Wirkungsgrade erfordern höhere Dampfparameter.
Erhöhung der Flexibilität erfordert dünnere Wandstärken bei
höherfesten Werkstoffen.
35
1950
1960
1970
1980
1990
Time
Wirkungsgrad, %
50
Hohe Flexibilität
Höherfestere Werkstoffe und
gleichgebliebene
Dampfparameter (aktueller
Kraftwerkspark)
45
40
35
30
1970
1980
1990
2000
2010
2020
350 / 700 / 720
30
Hoher Wirkungsgrad
Höherfestere Werkstoffe und
Erhöhung der Dampfparameter
(neue Kraftwerke)
55
280 / 600 / 620
40
260 / 580 / 600
45
η [%]
250 / 550 / 570
50
1st Supercritical Units according
to the Sliding Pressure Principle
(240 - 280 bar Evaporator Pressure)
55
Introduction of the
Once-Through Technology
175 / 540 / 540
 Für den Bau von hocheffizienten, flexiblen Kohlekraftwerke sind
Werkstoffe mit verbesserten Eigenschaften unerlässlich  neue
Werkstoffklasse: Nickellegierungen
 Die bewährten Herstellungsmethoden und die
Betriebserfahrungen mit den seitherig eingesetzten Stählen kann
nicht auf diese neue Werkstoffklasse übertragen werden
 Eine Reihe von auf Grundlagen fokussierten F&E-Projekte liefern
eine erste Datenbasis und Kenntnisse über weitere Herausforderungen bei der Verarbeitung
2030
Jahr
Quelle: FDBR
Quelle: BMWi
2000
2010
2020
Ausgangssituation
Wissenslücken für einen erfolgreichen Transfer in die Praxis



Betriebs- und Schädigungsverhalten von realen
Bauteilen unter betrieblicher Belastung
Einfluss der Verarbeitungsqualität auf das Betriebs- und
Schädigungsverhalten besonders bei dickwandigen Bauteilen
Werkstoffangepasste Auslegungs- und
Lebensdaueranalysemethoden
Werkstoffangepasste Überwachung und
Instandsetzungsstrategien
1000
T=650°C, Grundwerkstoff
Quelle: MPA Stuttgart
Spannung / MPa

100
P91, ECCC:
P92, ECCC :
Mittelwert
Mittelwert
304H, ECCC :
1.4962, ECCC :
Alloy800, ECCC :
Mittelwert
Mittelwert
Mittelwert
Alloy 617 mod.,COORETEC DE4:
Mittelwert
HR6W,
Mittelwert
Alloy 263, Special Metals:
Mittelwert
10
2
10
3
10
4
10
Bruchzeit / h
5
10
Auslegung, Dimensionierung:
P91
 23,0 mm
HR6W
 15,4 mm
Alloy 617B  9,8 mm
Quelle: Alstom
Quelle: MPA Darmstadt
Geringeres Volumen, günstiger zu Schweißen, niedrigere
Schweißeigenspannungen, günstiger für thermische Gradienten etc. …
Ausgangssituation - Untersuchungsziele
Qualifizierungsprozess und Übertragbarkeit in die Praxis
Qualifikation neuer
Werkstoffe
Entwicklung und
Qualifizierung von
Herstellungs- und
Verarbeitungsmethoden
Übertragung auf die
Anlage
• Bewertung
• Optimierung
• Erfahrung
Anlage
Entwicklung und
Qualifizierung von
Auslegungsmethoden
Entwicklung und
Qualifizierung von
Überwachungsmethoden
Grundlagen der F&E
Abbildung der realen
Betriebssituation:
Bauteile unter
komplexer
Beanspruchung –
Berücksichtigung der
Herstellungsqualität
Testanlage - Feldtests
Konzept
HWT II Übersichtsisometrie:
Beanspruchungsbereiche - vergleichbar mit realen Kraftwerken
Bereich 1: stationäre Beanspruchung
• Untersuchung des Kriechverhaltens
• Überlagerung von primären und
sekundären Lasten
• Rohrbogen verspannt mit einer Strebe
Bereich 2: zyklische Beanspruchung
• Untersuchung der Kriechermüdungswechselwirkung
• Simulation von Anfahr-/Abfahrvorgängen
• Geradrohre mit Schweißnähten
• Halbkugelformstück, Sammler
Bereich 3: Armaturen
•
•
•
Untersuchung des Regelverhalten
Reibverhaltens versch. Werkstoffpaarungen.
Funktionsweise bei Wassereinspritzung incl.
Drosselfunktionen
Quelle: Bilfinger
Errichtung von HWT II innerhalb des bestehenden
Kesselhauses, parallel zum Kesselbetrieb
Quelle: Bilfinger
Herstellung und Errichtung incl. Stahlbauertüchtigung
 Abstimmung mit der Kesselstatik und Erstellung eines 3 D Modells;
 Lastenabtragung, Hänger- Positionierungen, Bühnenerweiterung
 Einbau von Zwischenbühnen, Ertüchtigung der Kesselstützen
 Konsequente Überwachung durch den TÜV SÜD und GKM bei
Abnahmen, Fertigungs- und Montageüberwachung der
Komponenten: Rohrleitungen, Armaturen, Halterungen, Wippen,
Mess- und Regeltechnik u.v.m.
Errichtung - Herstellung und Fertigung:
Schweiß-, Biege- und Wärmebehandlungsprozess
Schweißungen Fa. BHR,
E.ON, HORA
Schweißungen Fa. BHR
Induktivbiegung Fa. KAM
Errichtung - Wesentliche Bauteile, Komponenten aus NiLegierungen: Sammler, Formstücke, Bögen, Einspritzstationen,
Absperrschieber, Dampf- und Regelarmaturen, Heizflächen etc.
Rohrbögen, Fa. KAM
Absperrschieber, Fa. KSB
Überhitzer, Fa. BBS
Sammler „Add-on“, Fa. Alstom
Alloy 617mod. Sammler, Fa. BBS
Dampfregelventil, Bopp & Reuther
Betrieb - Überwachung des Betriebsverhaltens
-
-
-
Dampf- und Wassermengen
Druck
Temperatur bzw. Gradienten:
• 57 TE an der Rohraußenseite
• 10 TE in Bohrungen 30 mm / 45 mm Tiefe
• 10 TE im Dampf
Lokale und globale Verformungen
• 16 kapazitive Hochtemperatur-DehnungsMessaufnehmer (HT-DMS)
• Triangulationsmessung
Verlagerungen
• Instrumentierte Hänger
 Dokumentation der Lasthistorie
 Überprüfung des Schädigungszustands in der
Teststrecke (z.B. durch Messung kritischer Dehnungen)
 Vergleich der Mess- und Simulationsergebnisse
Quelle: MPA Stuttgart
Betrieb - Steuerung
und Regelung der Teststrecke unter
zyklischen Bedingungen parallel zum kommerziellen Betrieb
725°C
400°C
Nachtstillstände
Wochenendstillstand
Quelle: IWM Freiburg
Quelle: ABB
Temperaturhaltung
+/- 1,5 K
Quelle: ABB
Prozessschaltbild für den Betrieb über die
Blockleitwarte
Quelle: ABB
Betrieb - Erreichte Betriebsstunden und Zyklenzahl
Beginn Teststreckenbetrieb: 1.10.2012
Ende Teststreckenbetrieb: 15.04.2014
Betriebsstunden Kessel 17
Betriebsstunden HWT II
Die errechnete Zyklenzahl von 2500 N bis zum Anriss
wurde mit 2648 Zyklen überschritten.
Des Weiteren wurden ca. 10.000 h bei > 700 °C erreicht
Wesentliche Ergebnisse
Herstellung und Verarbeitung: Schweißprozess
Rissanzeigen unterhalb des HDUGehäuses
Im Vergleich zu (ferritischen) Stählen ist der Schweißprozess
komplexer und zeitaufwändiger!
Größere Empfindlichkeit der Rissbildung beim bzw. nach dem
Schweißen im Zusammenhang mit
1) Vor dem Schweißen

Aufhärtung

Grobkorn

Gefüge- bzw. Wärmebehandlungszustand
Quelle: Welland & Tuxhorn
Ursachen:
Nicht
optimierte
Schweißtechnik in
Verbindung mit der
Wärmebehandlung,
sowie das nicht
optimierte Design
2) Nach dem Schweißen (Wärmebehandlung)

Heißrisse, Wiederaufschmelzrisse,
Relaxationsrissbildung

Eigenspannungen aus dem Schweißprozess und
den Ausscheidungsvorgängen bei betrieblicher
Beanspruchung
Des Weiteren besteht nach wie vor die Schwierigkeit mit
herkömmlichen zfP Methoden herstellungsbedingte
Schweißfehler aufzufinden
Rissanzeigen in einer Schweißnaht
Quelle: Alstom
14
Wesentliche Ergebnisse
Schädigungs- und Betriebsverhalten von Bauteilen
Unterschiedliche Wahl
der Radien-Durchmesser
B5
B6
Beispiele: Es wurden Ermüdungsschäden auf der
Innenoberfläche des Sammlers wie auch bei der HDU
festgestellt.
Die Schäden an den Sammlerbohrungen stehen im
Konsens mit der nach der Finite-Element-Methode
errechneten Anrisszahl. Die Ermüdungsrisse am
Grundwerkstoff
sind
auf
das
nicht
optimierte
Einspritzungssystem – fehlendes Schutzhemd –
zurückzuführen. Weitere Ursachen sind das nicht
optimierte Design
Die Risse innerhalb der Armatur basieren auf einer
defekten Einspritzdüse.
Rissanzeigen Wassereinspritzung
nach Druckreduzierung an einer HDU
B7
Schweißverbindungen
Naht B5: A 617 b / A 617 B
Naht B6: A 617 B / A 263
Naht B7: A 263 / A 617 B
Quelle: Alstom /
MPA Stuttgart
Sammlerbauteil – Lochränder zu
den Überhitzerrohren
Quelle: Welland & Tuxhorn
Wesentliche Ergebnisse
Auslegung von Bauteilen
 Herkömmliche analytische Auslegung nutzt das Festigkeitspotenzial
nicht aus bzw. ist unsicher wegen Nichtberücksichtigung des
besonderen physikalischen Verhaltens der Legierungen
 FE-Auslegungskonzepte mit integrierten Schädigungsmodellen
erfordern detaillierte Werkstoffbeschreibungen mit Erfassung und
Berücksichtigung von u.a. Korngrößenvarianz (Oberflächen,
Volumen), insbesondere bei Schweißverbindungen
 Abgesicherte Auslegungskurven, insbesondere im
Ermüdungsbereich, u.v.m.
Spannungskonzentrationen
an den Lochrändern
Quelle: MPA Stuttgart / IWM Freiburg
Beanspruchungsprofil: Dehnung
über Zeit (Hoop strain)
Rissanzeigen an Radien der Lochrändern nach PT Check
Quelle: MPA Stuttgart
Quelle: MPA Stuttgart / Alstom
Wesentliche Ergebnisse
Betriebliche Überwachung
ZfP-Übersicht wesentlich betriebsbeanspruchter Bauteile
Die Früherkennung von Schäden
bedarf neuer zf-Methoden, die in der
Lage sind Ermüdungsrissbildungen
an der Innenoberfläche zuverlässig
zu erkennen.
Sowie Rissbildungen im Volumen, z.
B. an Schweißnähten mit
ausreichender Sicherheit (Kritische
Größe) zu detektieren
Feine Anzeigen
an den Innenoberflächen:
TemperaturWechselBeanspruchung
Quelle: TÜV SÜD
Ausblick - Auswirkung der Energiewende auf den Betrieb
der fossil befeuerten Kraftwerke, in Deutschland
Quelle: RWE
Herausforderungen: Änderung der Betriebscharakteristik für die zukünftige Fahrweise

Steigerung der Anfahrgradienten von ca. 5 K/min auf > 10 K/min

Zunahme von Starts (Kalt-, Warm- und Heißstarts); Start: Zeit bis Generator im Netz

Kaltstart ( >48 h Abfahren): 90 min

Warmstart ( 8h < Abfahren < 48 h): 45 min

Heißstart (< 8h Abfahren): 30 min

Anlagenbetrieb im Mindestlastbereich, d.h. Reduzierung der techn. Mindestlast

Reduzierung der Jahresbetriebsstunden und der Vollaststunden, Zunahme der Schaltspiele von u.a.
Pumpenaggregaten (z.B. Kesselumwälzpumpen)
Ausblick - Zukünftige Konzepte, Projekte:
 HWT III (Fortsetzung HWT II) unter Einsatz martensitischer Werkstoffe, z.B. P92
(geplanter Beginn: 1. Quartal 2016)
 Power Plant 4 Future (PP4F), Designstudie für effiziente, flexible, emissionsarme
und webbasierte USC-Kraftwerke (geplanter Beginn: 4. Quartal 2015)
Dampfeindüsung
620°C
Wassereinspritzung
Zyklischer Betrieb
 620-380-620°C
Abmessungen: D 219x50mm
6
P92 Oxidation resistance coating
5
P92 Thermal resistance coating
Quelle: Alstom
Zusammenfassung
Der erfolgreiche Betrieb der Teststrecke hat folgende Erkenntnisse gebracht:
 Dickwandige und hochbeanspruchte Kraftwerksbauteile können aus einer neuen Werkstoffklasse:
höherfesten austenitischen Nickellegierungen hergestellt und unter den komplexen
Kraftwerksbedingungen betrieben werden
 Die Bauteile können damit ökonomischer, d.h. mit geringeren Wanddicken ausgelegt und sowohl
bei höheren Temperaturen als auch für eine flexiblere Fahrweise eingesetzt werden, z.B. für
Neuanlagen oder Bestandskraftwerke.
 Bei optimiertem Design tritt eine im Vergleich zu Komponenten aus Stählen geringere Kriech- und
Ermüdungserschöpfung auf.
 Die HWT – Anlage stellt erstmals weltweit eine Teststrecke dar, in der einzigartige dickwandige NiBasis Bauteile eingesetzt und getestet wurden.
 Diese wurden zuvor unter der Teilnahme vieler Partner aus Industrie, technischen
Überwachungsvereinen, Wissenschaft, Komponentenhersteller, Materiallieferanten und Betreiber
hergestellt, überwacht und erfolgreich betrieben.
 Die Resultate aus HWT II simulierten einen kommerziellen Betriebszustand vergleichsweise mit
einer Anlage für einen ca. 150.000 h Betrieb
Zusammenfassung
Der erfolgreiche Betrieb der Teststrecke hat folgende Erkenntnisse gebracht:
 Die festgestellten Schädigungen wurden entsprechend der Projektbeschreibung gezielt
angefahren.
 In zukünftigen kommerziell betriebenen Kraftwerk würden konstruktive Maßnahmen z.B. bei der
Temperaturregelung über Wassereinspritzungen mit Schutzhemd derartige Extremsituationen
ausschließen.
 Das Projekt HWTII wurde „on time“ in Betrieb genommen. Die beschriebenen Projektziele: Zyklen
und Betriebsstunden wurden erreicht!
 Die Teststrecke hat die Schwächen und Verarbeitungsprobleme von neuen Werkstoffen aufgezeigt
und somit ein Know how Gewinn erzeugt, der zur Lösung der kommenden Herausforderungen
genutzt werden kann. Alternativ-Beispiel: T24
 Die Gesamtkosten, mit ca. 1,5% Mehrkosten, liegen nahezu im Soll. Zwischenberichte u.a. für PTJ
(BMWi) und VGB wurden erstellt. Der Abschlussbericht wird z. Zt. erstellt.
 Alle Partner von HWT II formulierten das - Projekt HWT II - in einer Abschlusssitzung als
„Erfolgsstory“
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit
Gruppe
Schweißtechnische
Lehr- und Versuchsanstalt
Mannheim GmbH
RWE
EnBW
E.ON
Vattenfall
Evonik
EDF
…

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