6. Quiz Siemens Ausarbeitung

6. Quiz – Siemens Dampfturbinen
07.06.2015
Pfingstexkursion ITS 2015: Mühlheim an der Ruhr am 27.05.
Siemens Dampfturbinen
Quizfragen:
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Wie lange dauert der Fertigungsprozess bei einer Dampfturbine?
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Erstellen Sie ein grobes Ablaufdiagramm für die Fertigungsschritte einer Dampfturbine.
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Wie viel Span entsteht beim Abdrehen einer großen Rotorwelle?
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Wo werden bei der Montage Passverbindungen verwendet? Welche Möglichkeiten gibt es
die Verbindungen zu lösen?
•
Die fertiggestellten Rotoren werden abschließend in einem Schleuderprüfstand gewuchtet
und es werden Belastungstests durchgeführt.
◦ Beschreiben Sie den Ablauf des Test-Programms.
◦ Bei welcher Drehlzahl wird der Belastungstest durchgeführt?
◦ Warum wird dabei die Prüfzelle evakuiert?
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Weshalb wird der Generator in einem „Clean-Room“ montiert?
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Wie viel wiegt der gesamte Rotor einer großen Dampfturbine?
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Wie lange dauert das Anfahren einer Dampfturbine?
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In welchen Ländern ist der derzeit größte Absatzmarkt für Dampfturbinen?
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Welcher Anteil an Dampfturbinen wird in Kombination mit einer Gasturbine (für GuD
Kraftwerke) verkauft?
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Welche Weltregionen sind derzeit der größte Absatzmarkt für Dampfturbinen?
Um eine Dampfturbine vollständig zu fertigen und an den Kunden auszuliefern können 12 bis 15
Monate vergehen. Die benötigte Zeit variiert je nach Größe und Komplexität der Maschine. Der
grobe Ablauf der Fertigung ist in Diagramm 1 skizziert.
Christoph Straub
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07.06.2015
Abb.1: Ablaufdiagramm Fertigung
Die extern geschmiedeten Rohwellen treffen mit einer Anlieferungszeit von 1 bis 4 Wochen beim
Siemens-Werk in Mühlheim an der Ruhr ein. Dort werden diese zuerst spanend bearbeitet. Die
Wellen werden gedreht bzw. gefräst, wobei vom Gewicht einer großen Rohwelle mit ca. 100
Tonnen nach der spanenden Bearbeitung noch ca. 90 Tonnen übrig bleiben. Die dabei entstandenen
10 Tonnen Span werden in großen Containern gesammelt und können extern wieder
eingeschmolzen werden.
Grundsätzlich werden die Rotoren aus zwei verschiedenen Wellenmodellen gewonnen. Zum einen
werden dicke Rohwellen abgedreht und Nuten eingefräst. In diese Nuten werden in einem
anschließenden Schritt die Laufschaufeln eingesetzt. Die Laufschaufeln sind somit direkt mit der
Welle verbunden.
Alternativ werden lange, dünne Spindelwellen verwendet. Auf die Spindelwellen werden
Radscheiben aufgeschrumpft, auf denen im späteren Schritt Laufschaufeln befestigt werden. Die
Momentenübertragung von Radscheibe auf Welle erfolgt somit kraftschlüssig. Zur Montage mittels
Passverbindung werden die Radscheiben 24 Stunden im Ofen bei 400°C vorgeheizt. Durch die
Temperaturausdehnung der Materials wird der Innendurchmesser der Radscheibe temporär minimal
größer ist als der Außendruchmesser der Welle an der Fügestelle. Anschließend bleiben ca. 15
Minuten um die Radscheibe auf der Welle richtig zu positionieren. Nach diese Zeit ist die
Radscheibe soweit abgekühlt, dass der Innendurchmesser der Radscheibe geringer ist, als der
Außendurchmesser der Welle. Es liegt somit schon ein leichter Pressverband vor. Nach einer
Abkühlzeit von 24 Stunden ist die Radscheibe auf einem Temperaturniveau und der Pressverband
Christoph Straub
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so ausgeprägt, dass in unmittelbarer Nähe die nächste Radscheibe aufgeschrumpft werden kann. Die
Schrumpfverbindung kann jetzt nur noch gelöst werden, indem die Radscheibe zerstört wird. Das
Aufschrumpfen wird bevorzugt Nachts durchgeführt, da die geringere Luftbewegung bei
geschlossen gehaltenen Toren zu einer geringeren Abkühlgeschwindigkeit der Radscheibe führt als
bei Tag. Somit bleiben ein paar Minuten mehr Zeit für das Aufschrumpfen der Radscheibe als
tagsüber, wo die Hallentore ständig geöffnet und geschlossen werden.
Anschließend werden die Laufschaufeln auf dem Rotor montiert. Bei einer großen Dampfturbine
kann der gesamte Rotor so eine Masse von bis zu 300 Tonnen annehmen.
In einem Schleuderprüfstand, der sich im „Wuchtbunker“ befindet, wird der Rotor gewuchtet und es
werden Belastungstests durchgeführt. Die Prüfzelle wird hierzu zunächst evakuiert, was bei einem
großen Auswuchttunnel bis zu 45 Minuten dauern kann. Anschließend wird der Rotor über längere
Zeit beschleunigt, bis die jeweilige Auswuchtdrehzahl erreicht wird. Die Evakuierung bewirkt dabei
eine Minimierung des Luftwiderstandes und somit eine Reduktion der benötigten Energie und Zeit
zum Beschleunigen. Es werden Schwingungen gemessen, Messdaten analysiert und
Ausgleichsmaßnahmen ermittelt. Ist der Test beendet, so wird der Rotor abgebremst und Luft in die
Prüfzelle eingelassen. Die Tests werden bei Nenndrehzahl, d.h. 3000 U/min für ein 50 Hz Netz, bei
120% der Nenndrehzahl, d.h. 3600 U/min und bei sogenannter „Unterleistung“ durchgeführt. Da
die Schwingungsamplitude des flexiblen Rotors von der Drehzahl abhängt, ist für das Auswuchten
viel Erfahrung nötig und keinesfalls trivial. Der Wuchtlauf kann daher einen Tag oder länger dauern
und ist mit hohen Kosten verbunden [1].
Der Generator wird in einem Reinraum („Clean-Room“) montiert, da Feinstaub oder andere
Verunreinigungen zu einem Ausbrennen des Isoliermaterials (Harz) führen können.
Wird eine Dampfturbine bei einem Kunden in Betrieb genommen, betragen die Anfahrzeiten bis zu
90 Minuten [2]. Eine Verkürzung der Anfahrzeiten wird durch die Temperaturdifferenzen in den
Bauteilen und die damit verbundenen thermisch induzierten Spannungen und Dehnungen limitiert.
Somit wird eine gewisse „Vorwärmzeit“ benötigt, bis der „volle“ Dampfmassenstrom bzw.
Dampfdruck für den Nennbetrieb erreicht werden darf und die Nennleistung generiert werden kann.
Der größte Absatzmarkt für Dampfturbinen ist derzeit in den Ländern China, USA und Indien.
Asien ist dabei die Weltregion mit dem größten Absatzmarkt. Kohle beheizte Dampfturbinen
lieferten im Jahre 2007 mit 1400 GW weltweit einen Energieumsatz von 30 % der gesamten
gewonnen Energiemenge (4810 GW). Der Energieumsatz von Gas-und-Dampfkraftwerken lag
dabei mit 830 GW bei 17%. Mit 220 GW lieferten die in einem GuD-Kraftwerk eingesetzten
Christoph Straub
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Dampfturbinen 8 % der Energiemenge, die aus Dampfturbinen gewonnen wird (2715 GW) [3].
Abb.2: Verteilung der weltweit gewonnenen Energiemenge auf verschiedene Kraftwerkstypen [3]
Quellen online zuletzt abgerufen am 07.06.2015:
•
Schleuderprüfstand [1]:
http://www.durr-news.com/de/issues/international/detail/news/runderneuert-das-neue-cabflex3-stellt-sichvor/?type=0&cHash=307db041afb290f8116b367c1fde7bd8
•
Anfahrzeiten (Link: Diagramm Seite 13) [2]:
http://www.energy.siemens.com/br/pool/hq/energy-topics/pdfs/en/steam-turbines-powerplants/USCSteamTurbinetechnologyformaximumefficiencyandoperationalflexibility.pdf
•
Kehlhofer et. Al: Combined-Cycle Gas & Steam Turbine Power Plants (Seite 7) [3]:
https://books.google.de/books?
hl=de&lr=&id=OmnOG7vWfuQC&oi=fnd&pg=PP1&dq=amount+of+combined+cycle+power+plant+stea
m+turbine+used+in+%25&ots=VqxuOaG24P&sig=GxkWm_9FjnboqEWiuyc8peaGes#v=onepage&q=amount%20of%20combined%20cycle%20power%20plant%20steam%20turbine
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Christoph Straub
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