E.ON UK - Hoerbiger

DER HOERBIGER VENTILWERKE GMBH & CO KG IN WIEN, ÖSTERREICH, INSTALLIERT. FOTO: picture-alliance
AUCH DAS SCHIFF HAT VIEL MIT HOERBIGER ZU TUN: ZUM SCHUTZ DER QE2 VOR ÖLNEBELEXPLOSIONEN WAREN AUF DEN KURBELWELLENGEHÄUSEN DER MAN-MOTOREN 81 DRUCKENTLASTUNGSVENTILE
DER HAFEN VON LIVERPOOL. AM TERMINAL LIEGT DIE „QUEEN ELIZABETH II“. SIE BEFINDET SICH HEUTE IN DUBAI UND WIRD DORT ZU EINEM SCHWIMMENDEN LUXUSHOTEL UMGEBAUT. NICHT NUR DER HAFEN,
Der Hafen von Liverpool ist der größte Exporthafen Großbritanniens. Und er ist das Herz der Metropole an
der Mündung des Flusses Mersey im Nordwesten von England. Längst werden im Hafen nicht mehr allein
Güter vom Land- auf den Seeweg umgeschlagen. Das Hafengelände bietet auch Platz für andere Nutzer.
Etwa für das Kombikraftwerk der Mersey Docks and Harbour Company (MDHC), das von E.ON UK betrieben
wird. Mit innovativen Komponenten konnte HOERBIGER dazu beitragen, dass dieses Kraftwerk heute zu
den zuverlässigsten Kombikraftwerken in Großbritannien gehört. (Seite 24)
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LIVERPOOL, ENGLAND [53° 25’ N, 2° 59’ W]
HOERBIGER optimiert Kombikraftwerk für E.ON UK
RIECHEN SIE
HIER ETWA
wird das Erdgas von einem elektrisch angetriebenen Kolbenkompressor
von 6 bar in zwei Stufen auf 47 bar verdichtet.
Colin Pendlebury, Operation Coordinator bei E.ON UK CHP,
Auf den Docks ist alles ruhig. Auch das moderne Kombikraftwerk im Hafen von Liverpool ist nicht zu hören. Die Schallschutzverkleidung verschluckt das Heulen der
Rolls-Royce RB211 Gasturbine ebenso wie das Brummen des Kolbenkompressors.
Nur etwas Dampf ist zu sehen. Nahezu lautlos speist das Kraftwerk Elektrizität in
das Stromnetz des Hafens. Und es riecht auch nicht nach Gas.
TEXT: Charles Butcher · FOTOS: Mark McNulty
E.ON
Operations Coordinator Colin Pendlebury
und seine Kollegen sind stolz auf das Kombikraftwerk im Hafen von Liverpool. Es läuft
nahezu wartungsfrei und ohne größere Umweltbelastung. Das war nicht
immer so: „Als die Anlage 2004 den Betrieb aufgenommen hat, hatten
wir vom ersten Tag an Probleme an den Kompressoren. Nach zwei
Wochen waren die Kolbenringe defekt und die Packungen undicht. Das
aufgrund der Leckage über die hoch liegenden Abzugsrohre austretende
Gas war zu riechen: „Das war wohl nicht gefährlich, es war aber verlorenes Gas.“
Das Kombikraftwerk im Hafen von Liverpool liefert Elektrizität und
Dampf. Das Know-how und die Technologie von HOERBIGER haben
Verbundkraftwerke: effiziente Energieerzeuger
Das Kombikraftwerk im Hafen von Liverpool versorgt die Mersey Docks
and Harbour Company (MDHC) mit Elektrizität und Dampf. Weitere Großabnehmer sind zwei Produktionsanlagen des Agrarunternehmens Cargill: In Seaforth wird Maismehl hergestellt, in Brocklebank Speiseöl. Kombikraftwerke wie das im Hafen von Liverpool sind Musterbeispiele für
eine optimierte und höchst effiziente Energieerzeugung. Herzstück des
Kraftwerks ist die von Rolls-Royce gelieferte Gasturbine. Als Brennstoff
verwendet sie Erdgas aus dem öffentlichen Leitungsnetz von Liverpool.
Um für die Turbine den richtigen Einspritzdruck von 47 bar zu erreichen,
Das verdichtete Erdgas wird unter hohem Druck in die Turbine eingeblasen und unter Zufuhr von Luft in der Turbine verbrannt. Für die Luftzufuhr sorgt die Turbine selbst: Die heißen Verbrennungsgase werden über
Turbinenschaufeln geleitet, die die Welle der Turbine in Bewegung setzen. Auf derselben Welle sind vor der Verbrennungszone, an der „Ansaugseite“ der Turbine, ebenfalls Turbinenschaufeln montiert. Sie saugen
die Zuluft für die Verbrennung an. Am sogenannten „Abgang“ ist die Welle der Turbine mit einem Generator verbunden. Er erzeugt den Strom, der
vom Kombikraftwerk über ein lokales Unterwerk in das öffentliche Leitungsnetz eingespeist wird und zur elektrischen Versorgung der Hafenanlagen dient. Die heißen Verbrennungsgase sind nach der Passage der
Turbine immer noch so energiereich, dass sie im Brenner eines nachgeschalteten Heizkessels nochmals gezündet und zur Dampferzeugung
verwendet werden können. Dieser Dampf reicht aus, um die beiden
Standorte von Cargill mit Prozessdampf zu versorgen. Über zwei Pipelines wird der Dampf zu den Cargill Lebensmittelwerken in Seaforth und
Brocklebank transportiert.
Probleme mit dem Kompressor
Die Planung des Kombikraftwerkes begann 2001. Die Mersey Docks and
Harbour Company (MDHC) und Cargill beauftragten seinerzeit RollsRoyce, ein schlüsselfertiges Kombikraftwerk zu erstellen. Mit E.ON UK
wurde ein über 20 Jahre laufender Betriebsführungsvertrag geschlossen.
Doch bereits kurz nach der Inbetriebnahme gab es Probleme mit den
Kompressoren, die zur Verdichtung des Stadtgases auf den für die Gasturbine benötigten Druck verantwortlich waren.
die Zuverlässigkeit der Kompressoren erhöht.
Aus dem Flugzeugbau zwar verwandte, aber speziell für Industrieanwendungen konstruierte Gasturbinen wie die Rolls-Royce RB211 sind das
Herzstück des modernen, mit Gas betriebenen Kombikraftwerkes. Sie
werden von den Betreibern vor allem aufgrund ihrer Effizienz, ihrer kom-
achtet darauf, dass das Kraftwerk funktioniert.
pakten Bauweise und ihrer Verlässlichkeit geschätzt. Wie bei einem modernen Pkw-Motor muss der Treibstoff mit hohem Druck eingespritzt
werden. Großkraftwerke, die mit Gasturbinen arbeiten, entnehmen das
Gas aus Hochdrucknetzen. Dezentral arbeitende kleine Kombikraftwerke
wie das im Hafen von Liverpool werden demgegenüber in der Regel aus
Niederdruck-Gasnetzen gespeist. Deshalb muss der Gasdruck von Kompressoren auf 30 bis 50 bar erhöht werden.
Da diese kleineren Kombikraftwerke unmittelbar an den Bedarf einzelner
Abnehmer gebunden sind – in Liverpool beispielsweise an den Strombedarf des Hafens und den Prozessdampfbedarf von Cargill –, müssen sowohl die Turbine als auch der Kompressor mit häufigen Lastwechseln
und Stillständen zurechtkommen. Und es waren gerade diese sehr speziellen Betriebsbedingungen, die in Liverpool zu Problemen führten. Um
diese Probleme in den Griff zu bekommen, nahm E.ON zu HOERBIGER UK
Kontakt auf. Das Serviceteam von HOERBIGER ist für seine Expertise bei
der Optimierung von Kolbenkompressoren bekannt. Und tatsächlich ist
es gelungen, mit Komponenten von HOERBIGER die Leistung der Kompressoren deutlich zu verbessern und das Hauptproblem, Gasleckagen an
den Kolbenstangen, abzustellen.
Auf der Suche nach möglichen Ursachen
Wie kam es zu diesen Leckagen? Kolbenkompressoren werden häufig
mit Öl geschmiert. Dieses Öl gerät zwangsläufig in den Gasstrom. Eine
Gasturbine würde dadurch beschädigt. Um dieses Problem zu umgehen,
arbeiten Kompressoren im Verbund mit Gasturbinen ohne Ölschmierung.
So auch die beiden Kompressoren im Hafen von Liverpool. Im konkreten
Fall entstanden damit aber andere Probleme. „Bei Kompressoren, bei
denen auf Öl zur Kühlung und Schmierung verzichtet wird, werden zur
Reduktion der Reibung in der Regel Dichtungen aus HochleistungsKunststoffen wie PTFE verwendet. Zur Kühlung der Dichtungselemente
nutzen diese trocken laufenden Kompressoren einen Teil des Gases, das sie
verdichten“, erklärt Matt Jackson, Technical Manager bei HOERBIGER
UK. Diese Kühlmethode hat sich vor allem bei Maschinen mit hohen
Differenzdrücken bewährt, bei denen hohe Differenzialdrücke für einen
hohen Gasaustausch an den Dichtungen und damit für eine gute Kühlung sorgen.
Matt Jackson, Technical Service Manager bei HOERBIGER UK,
diskutiert technische Themen mit dem E.ON-Team.
www.eon-uk.com/
generation/liverpool.aspx
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Komplexe Zusammenhänge: Druck und Temperatur
„Geringer Differenzdruck führt zu einem geringeren Gasaustausch und
damit zu einer geringeren Kühlung. Dadurch überhitzen Dichtungen und
Packungen. Entsprechend schnell treten Defekte auf. Gerade dieses Problem finden wir bei den mit niedrigen Gasdrücken betriebenen Kombikraftwerken recht häufig“, so Jackson. Verstärkt werden die Probleme
bei den Kombikraftwerken durch die häufigen An- und Abfahrphasen.
Die Kompressoren laufen mit geöffneten Bypass-Ventilen im Leerlauf
und kühlen ab. Im Leerlauf sinkt der Differenzialdruck. Dadurch sinkt
auch die Leistung der Dichtungen: „Die Dichtungen eines Kolbenkompressors arbeiten dynamisch“, erklärt Jackson. „Ohne den Druckunterschied wird der Kompressor undicht.“
Wenn der Kompressor auf vollen Touren und damit „heiß“ läuft, dehnen
sich die Dichtungen aus. Die Innenseiten der Zylinder werden durch die
zur Abdichtung verwendeten Kolbenringe und die zur Führung der Kolben
verwendeten Tragringe geradezu poliert. Ein Teufelskreis: Denn sobald
das Metall den Dichtungen kaum noch Reibung entgegensetzen kann,
kann PTFE zwischen dem Zylinder und dem Kolbenring nicht mehr den
sogenannten „transfer layer“ aufbauen. Wenn diese Schmierschicht aus an
der Zylinderwand angelagertem PTFE fehlt, nimmt der Verschleiss an den
PTFE-Gleitelementen rapide zu. Das gilt übrigens in gleicher Weise für die
Packungen, die zur Abdichtung der Kolbenstangen verwendet werden.
Die Erdgas-Verdichtung in einem Kombikraftwerk ist somit sowohl für das
Material als auch für die Geometrie und Auslegung von Ringen und Packungen eine hohe Herausforderung, auf die sich nur wenige Hersteller
von Ringen und Packungen wirklich einlassen: „Im Vergleich zur verdichteten Gasmenge scheint der Verlust, der durch undichte Packungen entsteht, für manche Betreiber vertretbar zu sein“, so Jackson. „Wir bei
HOERBIGER sehen das allerdings kritischer. Denn durch diese Verluste
wird die Leistung und Umweltverträglichkeit des gesamten Kraftwerkes
eingeschränkt.“
„Wir mussten täglich kämpfen“
Im Kombikraftwerk im Hafen von Liverpool sind zwei baugleiche, elektrisch angetriebene Kompressoren installiert. Ein Kompressor steht jederzeit auf Stand-by – ein Umstand, der in den Anfangsjahren des Kraftwerks von besonderer Bedeutung war. Denn bereits kurz nach der
Inbetriebnahme versagten sowohl die Kolben- und Tragringe als auch die
Dichtung an der Kolbenstange. Das führte zu größeren Schäden an der
Kolbenstange und am Zylinder. „Wir mussten täglich kämpfen, um den
Betrieb aufrechtzuerhalten“, berichtet Colin Pendlebury. „Kaum hatten
wir einen Kompressor repariert, fiel der andere schon wieder aus.“ Ursprünglich vermutete man, dass im Gas enthaltenes Wasser die Ursache
für die häufigen Stillstände sein würde. „Die Analyse hat uns dann gezeigt, dass das nicht unser Problem war.“
2006 erhielt HOERBIGER den Wartungsauftrag für alle Kombikraftwerke
von E.ON in Großbritannien. „Jetzt hatten wir die Möglichkeit, uns die
Sache einmal genauer anzusehen“, erklärt Jackson.
„Kein Leck vorhanden!“: Colin Pendlebury im Kompressorraum.
Auf Basis dieser Beobachtungen setzte der Konzern neu entwickelte
Werkstoffe von HOERBIGER ein, mit denen insbesondere das durch die
Einbindung der Glasfasern in das Material verursachte Polieren der Oberflächen vermieden werden konnte. Darüber hinaus veränderte das Team
von HOERBIGER UK das Design der Ringe und Packungen. Das Problem mit den Kolben- und Tragringen konnte HOERBIGER auf diese Weise entscheidend mindern. Während die ursprünglich verwendeten Komponenten anfangs gerade einmal 200 Stunden problemlos arbeiteten,
konnte damit der problemlose Betrieb des Kompressors auf mehr als
4.000 Stunden gesteigert werden.
BCD-Ringe lösen das Problem an der Kolbenstange
Bei der Optimierung der Dichtungen der Kolbenstange, der sogenannten
Packungen, gelang der Durchbruch, nachdem die Forschung von
HOERBIGER dem britischen Serviceteam die ersten Testmuster des
grundlegend neu entwickelten BCD-Rings zur Verfügung stellen konnte.
Die ursprünglich zur Abdichtung der Kolbenstangen eingesetzten Packungen nutzten sich extrem schnell ab und zeigten im Hinblick auf ihre
Dichtigkeit eine schlechte Leistung: „Die Packungen waren so schlecht,
dass das austretende Gas die Abzugsrohre so stark erhitzte, dass man
sich die Finger verbrennen konnte. Außerdem konnte der Gasgeruch
Eine Lösung für die Kolben- und Tragringe
Die Techniker von HOERBIGER fanden heraus, dass das für die Kolbenringe benutzte Material in hohem Maß mit Glasfasern verstärkt war. Diese in die PTFE-Matrix eingebetteten Fasern polieren die Bohrungen der
Zylinder. In mühevoller Detailarbeit suchten Betreiber und Servicetechniker nach einer Lösung. „Bei so einer Maschine können wir nicht einfach
die Variablen verändern, um zu einem besseren Ergebnis zu kommen“,
erklärt Jackson. Stattdessen mussten die Kompressoren über Monate
überwacht werden, um das Verhalten aller Komponenten in den unter-
PART OF
manchmal sogar am Boden wahrgenommen werden“, schildert E.ON
Maintenance Coordinator Dave Molloy die Situation. „E.ON war nicht nur
mit dem finanziellen Verlust konfrontiert, sondern war auch aufgrund
der Umweltauswirkungen besorgt: Im Vergleich zu CO2 hat Erdgas den
22-fachen Treibhausgaseffekt.“
Innovative Werkstoffe, innovatives Design
Mit dem Einsatz der nagelneuen BCD-Ringe – HOERBIGER hatte erst kurz
zuvor die Patentrechte erhalten – hatte das Serviceteam Erfolg. In der
Kombination aus dem neuen Werkstoff und einem neuen Ringdesign
konnte die Dichtigkeit der Packung erheblich verbessert werden. Das Leckage-Problem der Kompressoren war damit behoben. „Das Design des
BCD-Rings ermöglicht es, mit weniger Andruckkraft eine effizientere Abdichtung zu erzielen“, erklärt Jackson. „Anstelle einer konventionellen
Kombination aus einem radial geteilten und einem tangential geteilten
Ring wirkt der BCD-Ring wie diese beiden Ringe gemeinsam. Damit kann
die Dichtwirkung besser als mit konventionellen Ringen gewährleistet werden; bei einem Stillstand der Maschine werden Leckagen deutlich verringert. Das ist insbesondere für Anwendungen in Kombikraftwerken wichtig, bei denen die Zylinder auch im Stillstand unter Gasdruck stehen.“
Im Kombikraftwerk der Mersey Docks and Harbour Company (MDHC)
passten die neuen BCD-Ringe problemlos in die existierenden Aufnahmen der Packungen. Seit ihrer Montage ist die Leistungsbilanz brillant.
Mehr als 8.000 Betriebsstunden liefen die Kompressoren bisher ohne
Probleme. Auch Überhitzungen des Kompressors, die bisher regelmä
ßig die Packungsringe zerstört hatten, überlebten die BCD-Ringe ohne
Probleme. Die von HOERBIGER neu entwickelten BCD-Ringe haben die
Lecks vollkommen abgedichtet. Dave Molloy zeigt mit einigem Stolz auf
ein Messgerät an den Packungen: „Die Leckage-Anzeige zeigt null an, es
riecht nicht nach Gas und die Abzugsrohre bleiben kalt.“
Kombikraftwerke tragen durch die bedarfsgerechte Energieerzeugung erheblich zur Senkung von Energiekosten und Emissionen bei.
E.ON UK betreibt in Großbritannien insgesamt 14 Kombikraftwerke.
Sie versorgen Anlagen der Öl-, Gas- und Prozessindustrie, Häfen und
Krankenhäuser mit Elektrizität und Dampf. Ihre Gesamtleistung liegt
bei mehr als 570 Megawatt Elektrizität und 940 Megawatt Dampf.
Eine Null-Anzeige auf dem Messgerät zeigt, dass die BCD-Ringe die
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Mit Ringen und Packungen von HOERBIGER konnte die wartungsfreie
Laufzeit der Kompressoren bei der Mersey Docks and Harbour Company (MDHC) von wenigen Hundert auf mehrere Tausend Betriebsstunden gesteigert werden. Die neu entwickelten und zur Lagerung
und Abdichtung der Kolbenstangen verwendeten BCD-Ringe verhindern den Gasaustritt. Darüber hinaus werden die Kompressoren durch
HOERBIGER ROD-Position Analysers kontinuierlich überwacht.
schiedlichen Betriebszuständen des Kombikraftwerkes, bei unterschiedlichen Lastzuständen sowie im Winter- und Sommerbetrieb beurteilen zu
können.
Dichtigkeit der Packungen erheblich verbessern konnten.
Chris Stading, Sales Manager External Sales bei HOERBIGER,
mit Dave Molloy, E.ON UK CHP Maintenance Coordinator.
PARTNERSHIP
HOERBIGER UK betreut seit 2006 alle Kombikraftwerke von E.ON
UK als Servicepartner. Schlüsselkomponenten der HOERBIGER
Kompressortechnik sorgen für eine hohe Verfügbarkeit der Kombikraftwerke von E.ON UK. Besonders erfolgreich waren beide Partner
bei der Optimierung des Kombikraftwerks im Hafen von Liverpool.
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