Schroeder4-99_D

Mehr Sicherheit.
Mehr Wert.
Erfahrungen bei der Planung von Gasturbinen (GT)-Anlagen mit nachgeschalteten
Abhitzedampferzeugern (AHDE) in bezug auf
deren Regelwerkskonformität
H. Chr. Schröder, H. Engesser, G. Scheffknecht und H. Stierstorfer
Kraftwerks- und Anlagenservice des TÜV SÜD
SONDERDRUCK VGB KraftwerksTechnik
79. Jahrgang, Heft 4/99, Seite 46-52
Kraftwerks- und Anlagenservice des TÜV SÜD
Leistungen
Kraftwerks- und Anlagenservice
Dipl.-Ing.
H. Chr. Schröder
TÜV Süddeutschland,
Mannheim.
Dipl.-Ing. H. Engesser
ABB Power
Generation Ltd.,
Baden/Schweiz.
Erfahrungen bei der Planung von
Gasturbinen-(GT-)Anlagen mit nachgeschalteten Abhitzedampferzeugern
(AHDE) in bezug auf deren Regelwerkskonformität
Von H.Chr. Schröder, H. Engesser, G. Scheffknecht und
H. Stierstorfer
spanne, die einen dreifachen Luftwechsel im
zu spülenden Rauchgasvolumen ergibt.
Dr.-Ing.
G. Scheffknecht
Alstom Energy
Systems GmbH,
Stuttgart.
Dipl.-Ing.
H. Stierstorfer
Siemens AG,
Bereich Energieerzeugung (KWU), Erlangen.
Einleitung
In diesem Beitrag sollen die Probleme aufgezeigt werden, die sich bei der praktischen
Umsetzung der anzuwendenden Regelwerke
insbesondere bei Kombi-Anlagen, das heißt
Gasturbinenanlagen mit nachgeschalteten
AHDE (Abhitzedampferzeuger), ergeben in
den Bereichen:
— Belüften und Spülen der Rauchgaswege,
— Flammenüberwachung,
— Sicherheitszeit.
Die Entscheidung zum Bau einer Kombi-Anlage erfolgt aus verschiedenen Gesichtspunkten, wie z.B. Verringerung des CO2-Ausstoßes, hohe Anlagenwirkungsgrade, schnelle Anfahrzeiten, hohe betriebliche Flexibillität, kurze Bau- und Investitionskosten
sowie Repowering von Altanlagen.
Je nach Brennstoff werden in Deutschland
die entsprechenden TRD (Technische Regeln
Dampfkessel) der Reihe 400 angewendet.
Die bei den üblichen Gasturbinenbrennstoffen Gas bzw. Heizöl EL anzuwendende TRD
412 bzw. 411 fordert ein Spülen der Rauchgaswege mit mindestens 50 % des Verbrennungsluftstromes bei Vollast über eine ZeitVGB KraftwerksTechnik 4/99
Aufgrund der drehzahlabhängigen Volumenströme des Gasturbinenverdichters, welche
durch die Anfahrleistung der Startvorrichtung sowie Schaufelschwingungen begrenzt
sind, lassen sich diese Forderungen nicht immer erfüllen.
In der Gasturbine GT 24/GT 26 der ABB erfolgt die Verbrennung in sequentieller Folge:
1. Brennkammer mit Hochdruckturbine, gefolgt von der 2. Brennkammer mit Niederdruckturbine. Bei der Flammenüberwachung
der 2. Brennkammer einer Gasturbine (sequentielle Verbrennung) ist die Eintrittstemperatur die inhärent bestimmende Größe
der Verbrennung. Somit bietet sich für die
2. Brennkammer die Überwachung der Temperatur anstelle des verlangten optischen
Flammenwächters an, da optische Flammenwächter in diesem Temperaturbereich die
Flamme nicht sicher erkennen lassen.
B i l d 1 zeigt den Aufbau der ersten und
zweiten Brennkammer einer ABB-Gasturbine moderner Bauart.
Moderne Gasturbinen mit Ringbrennkammern haben durch den Füllvorgang in den
Brennstoffleitungen sowie die Querzündung
der Brenner einen erhöhten Zeitbedarf bis
zum sicheren Brennen der Flamme. Die geforderte Sicherheitszeit gemäß TRD zwischen dem Öffnen der Abschlußorgane
(Schnellschlußeinrichtungen) und der Aktivierung des optischen Flammenwächters
kann dabei nicht eingehalten werden.
Somit ergeben sich bei Anwendung der TRD
Fragen hinsichtlich Spülung1 der Rauchgaswege, Flammenüberwachung und Sicherheitszeiten. Im folgenden zeigen die Autoren
Lösungsmöglichkeiten auf, wie diese Themen sicher abgehandelt werden können im
Sinne einer hohen Verfahrenssicherheit,
––––––
1 In diesem Beitrag wurde für den Vorgang der
Belüftung/Vorbelüftung, wie dieses in den
TRD genannt wird, der Begriff des „Spülens“
(aus dem englischen „purge“) verwendet.
Unseres Erachtens ist dieses hierdurch treffender und deutlicher interpretiert.
gleichzeitiger Einhaltung der gewünschten
hohen Verfügbarkeit der Gasturbinenanlagen
und Erfüllung der sicherheitstechnischen Erfordernisse gemäß Regelwerk mit den normal
vorhandenen Ausrüstungsanlagenkomponenten ohne zusätzlichen Frischlüfter.
Spülen von Kombi-Anlagen
Forderungen der Regelwerke
an die Spülung der Abgaswege
von Kombi-Anlagen
Die Vorgehensweise bei der Spülung von
AHDE innerhalb von Kombi-Anlagen mit
und ohne Bypass-Kamin kann unterschiedlich sein. Die erforderliche Spülung resultiert
im wesentlichen aus der Forderung der einzelnen TRD, wie z.B. 411 für Öl- und 412
für Gasbrennstoffe.
Aus England und den USA sind zwei weitere
Vorschriften bzw. Richtlinien bekannt. Es
sind dieses die NFPA (National Fire Protection Association) 8506 aus den USA und die
Richtlinie der British Gas (Guidance Notes
on the Installation of Industrial Turbines, Associated Gas Compressors and Supplementary Firing Burners).
In Amerika haben die Unterschiede bei Betrieb und Bauart von Abhitzedampferzeugern
und konventionellen Dampferzeugern zu getrennten Normen für AHDE geführt (NFPA
8606). Die NFPA-Vorschrift in der aktuellen
Revision fordert einen mindestens fünffachen
Volumenaustausch der Gasturbine bei mindestens 8 % des maximalen Massendurchsatzes. Es werden auch alternative Möglichkeiten zum Nachweis einer ausreichenden Spülung des AHDE angeboten.
Verfahrenstechnische Anforderungen an die Spülung
von Kombi-Anlagen
Während des Spülvorganges ist die maximale
Temperatur des Spülmediums durch die theoretische Zündtemperatur des eingesetzten
Brennstoffes begrenzt. Die Zündtemperatur
von gebräuchlichem Erdgas liegt in der
Größenordnung von etwa 600 °C. Kohlegas
als Mischung von Wasserstoff und Kohlen-
3
Anders sieht es in den nachgeschalteten Anlagenteilen aus. Der von der Gasturbine ausgespülte Volumenstrom befindet sich nunmehr im nachgeschalteten Rauchgassystem
und dem AHDE. Aufgrund der geringen Volumenströme der Gasturbine im unteren
Drehzahlbereich beim Drehen des Verdichters mit dem Generator (Drehbetrieb) kann
eine Spülmenge von > 50 %, bezogen auf den
sich bei der Verbrennung ergebenden Gesamtrauchgasstrom im AHDE, nicht realisiert werden. Real erzielbare Spülmengen innerhalb dieser Betriebszustände liegen bei
10 bis 15 % des maximalen VerdichterluftMassenstromes, was für ein sicheres Spülen
gemäß Abschnitt „Nachweis des Spülergebnisses“ ausreichend ist.
Temperatur > 1000 °C
sequentieller Brenner
Hauptbrenner
Hauptbrennkammer
sequentielle Brennkammer
Niederdruckturbine
Hochdruckturbine
Bild 1. Flammenüberwachung.
monoxid hat ebenfalls eine Zündtemperatur
im Bereich von rund 550 °C. Flüssige Brennstoffe, wie z.B. leichtes Heizöl (HEL) oder
Naphtha, liegen bei etwa 220 °C.
Um einen relativen Sicherheitsabstand zur
theoretischen Zündtemperatur zu haben,
sollte die maximale Spültemperatur einen
Sicherheitsabstand zu den genannten Temperaturen von rund 20 % aufweisen, d. h. für
Gas etwa 100 und für Öl etwa 40 °C.
Das bedeutet in der Praxis, daß bei erdgasbefeuerten Gasturbinen eine Spülung mit dem
Abgasstrom möglich ist, falls die Abgastemperatur ausreichend von der jeweiligen
Zündtemperatur des eingesetzten Brennstoffes entfernt bleibt unter Berücksichtigung
von eventuell auftretenden Temperaturschieflagen und Temperaturspitzen. Es ist allerdings zu beachten, daß Erdgas als Mischungsbestandteile oft auch längerkettige
Kohlenwasserstoffe, wie Propan, Butan usw.,
enthält. Deren Zündtemperatur liegt niedriger
als 600 °C. Um daraus resultierende Unsicherheiten im Hinblick auf die Belüftungstemperatur auch im Zusammenhang mit
Temperaturspitzen und -schieflagen auszu-
Ausführung von Spülvorgängen
bei Kombi-Anlagen
schließen, wird empfohlen, nicht mit einer
Abgastemperatur über 400 °C zu spülen.
Anders sieht es bei der Verwendung von
flüssigen Brennstoffen aus. Hier ist eine Spülung der nachgeschalteten Anlagen mit dem
Abgasstrom der Gasturbine nicht ohne weiteres möglich, weil die Abgastemperatur der
Gasturbine höher liegt als die Zündtemperatur des flüssigen Brennstoffes. Bei eventuell
vorhandenen unverbrannten flüssigen Brennstoffanteilen im AHDE wären Verpuffungen
nicht auszuschließen.
Des weiteren ist zu erwähnen, daß in den entsprechenden TRD weder ein Bezug auf die
Lufttemperatur genommen noch ausgesagt
wird, ob es sich bei den Spülmengen um
Massen- oder Volumenströme handelt.
Die Spülung der Gasturbine selbst ist in der
Praxis kein relevantes Problem, weil die Gasturbine stets vor jedem Feuerungsstart – unabhängig davon, aus welchem Betriebszustand die Feuerung abgefahren wurde –
zwangsläufig gespült wird. Eine Diskussion
einer erneuten Zündung nach einem Störbetrieb bzw. Abfahrbetrieb ergibt sich somit
nicht.
Notwendigkeit der Spülung
von Kombi-Anlagen
Die Notwendigkeit zur Spülung eines AHDE
kann sich in folgenden Fällen ergeben:
— vor der Inbetriebnahme,
— nach erfolglosem Zündversuch (z.B. Flammenwächter hat nicht übernommen),
— nach Startabbruch der Gasturbine
nach dem Zündvorgang,
— nach Schutz-Aus aus Lastbetrieb.
Der erste Fall ist in den TRD entsprechend
geregelt. Die TRD erlaubt ausdrücklich bei
fehlersicherer Überwachung der Brennstoffzufuhr, auf ein Spülen der Rauchgaswege bei
der Inbetriebnahme zu verzichten.
Während die nächsten beiden Fälle zwingend
ein Spülen der Abgaswege erfordern, bedarf
der Schutz-Aus aus Lastbetrieb und auch das
reguläre Abfahren einer näheren Erläuterung.
Beim regulärem Abfahren der Gasturbine
– d.h. Überführen aus dem Last- in den Leer-
kg
m = 40 s
kg
m = 80 s
kg
m = 160 s
50 s
25 s
150 s
50 s
0,0
75 s
gCH4
kg
12,5 s
37,5 s
250 s
62,5 s
gCH4
0,0
kg
100 s
125 s
150 s
Bild 2. CH4-Konzentration.
4
Bild 3. CH4-Konzentration für halbierten bzw. verdoppelten
Sprühmassenstrom in bezug auf Bild 2.
VGB KraftwerksTechnik 4/99
laufbetrieb und anschließendes Schließen der
Brennstoffzufuhr – wird das Rauchgassystem
durch den Abgasvolumenstrom der auslaufenden Gasturbine ausreichend gespült. Bei
diesem Betriebszustand liegt somit, wenn
überhaupt, nur ein mageres Brennstoff-LuftGemisch vor, das nicht zündfähig ist. Zusätzlich begünstigend ist, daß bei diesem Abfahrvorgang der Gasturbine kein Brennstoff unverbrannt in den AHDE gelangen kann, weil
bei kleiner Leistung zuerst die BrennstoffSchnellschlußventile geschlossen werden.
Hierdurch wird dann die noch vorhandene
Flamme aufgrund des Brennstoffmangels erlöschen.
Auch beim Schließen der Schnellschlußventile im Lastbetrieb kann davon ausgegangen
werden, daß die noch in den Zuführungsleitungen zu den Brennern vorhandenen Brennstoffmengen verbrannt werden und die Flamme durch Brennstoffmangel erlischt. Um ein
verbleibendes Restrisiko zu vermeiden, empfiehlt sich hier ein Spülen des AHDE nach
Ausfall der Gasturbine aus einem Lastbetrieb
mittels Anfahrumrichter in Anlehnung an
TRD 411 und 412 (Abfahren aus einem
Schutz-Aus ist gleichbedeutend mit einem
unplanmäßigen Betrieb).
Von Fall zu Fall ist zu untersuchen, ob durch
den während des Auslaufens der Gasturbine
geförderten Volumenstrom eine ausreichende
Spülung erzielt wird.
Bei einem Wiederanfahren der Anlage können z.B. bei einem Heißstart der Anlage im
AHDE Temperaturen oberhalb der Zündtemperaturen der gebräuchlichen Flüssigbrennstoffe liegen. Eine Spülung und die sich daraus ergebende Abkühlung des AHDE ist daher unter anderem durchzuführen, um die kritische Zündtemperatur abzusenken.
Werden Gasturbinenanlagen ausschließlich
mit Erdgas betrieben, kann nach Absprache
mit den Beteiligten (Kunde, Behörde, TÜV,
Lieferer) auf ein separates Spülen verzichtet
werden, wenn nachgewiesen wird, daß der
AHDE beim Hochfahren der Gasturbine ausreichend gespült wird, solange die maximalen Abgastemperaturen einen ausreichenden
Abstand zu den zugehörigen Zündtemperaturen aufweisen.
Weitere Zündquellen, wie Funkenbildung innerhalb der Gasturbine durch mechanisches
Streifen in der Anfahrphase an den heißen
Metalloberflächen sowie eventuell statische
Aufladungen, sind als weitere Gefahrenquellen in die Betrachtung einzubeziehen bzw.
müssen entsprechend betrachtet werden in
bezug auf die zugehörigen Zündtemperaturen
der eingesetzten Brennstoffe.
und abgefahren werden. Der vorhandene Abgasvolumenstrom, der bei einem normalen
Startvorgang durch den AHDE strömt, reicht
im allgemeinen nicht für einen ausreichenden
Luftwechsel des rauchgasseitigen AHDEVolumens aus, wie dieses in den entsprechenden TRD gefordert wird.
eine Teillast mit einer Abgastemperatur von
etwa 350 bis 400 °C heruntergefahren werden, wenn der Dampfteil des AHDE zugeschaltet werden soll. Durch diese Maßnahme
werden Verpuffungen im Bereich des AHDE
vermieden. Außerdem ergibt sich daraus ein
schonenderes Anfahren.
Aus diesem Grunde muß der AHDE vor dem
Start der Gasturbine mit Hilfe des Anfahrumrichters der Gasturbine ausreichend lange
gespült werden, da keine andere technische
Möglichkeit vorliegt. Der Gasturbinenverdichter wird abhängig vom Volumen des
AHDE über mehrere Minuten (5 bis 10 min)
mit 20 bis 30 % der Nenndrehzahl und „Leitschaufeln in Anfahrstellung“ gedreht, wodurch ein mehrfacher (etwa 3- bis 5facher in
Abhängigkeit von den Regelwerksanforderungen) Luftvolumenwechsel des AHDE
sichergestellt wird.
Die erforderliche Spülzeit ist wegen der hohen Rauchgasgeschwindigkeit mit großem
Luftstrom wesentlich kleiner (< 1 min) als
bei Anlagen ohne Bypass-Kamin und Belüftung mit einem Anfahrumrichter (etwa 5 bis
10 min).
Diese Spüldrehzahl muß für ein Belüften bei
konstanter Drehzahl im Minutenbereich
einen genügenden Abstand zur kritischen
Schaufelschwingung des Verdichters haben.
In diesem Drehzahlbereich werden etwa
10 bis 15 % des maximalen VerdichterluftMassenstromes in Abhängigkeit von der
Bauart und des Herstellertyps erreicht. Messungen an ausgeführten AHDE zeigen, daß
ein Spülmassenstrom in diesem Bereich nicht
ausreicht, um Kesselbauteile beim Spülen
vor einem Warm- oder Heißstart merklich
abzukühlen. Mit hohen thermischen Spannungen in dickwandigen Bauteilen beim
Spülen eines heißen AHDE ist damit nicht zu
rechnen.
Spülen von Anlagen mit BypassKamin und ohne Zusatzfeuerung
Spülvorgang bei gasförmigen Brennstoffen
Der Belüftungsvorgang bei Anlagen mit Bypass-Kamin und gasförmigen Brennstoffen
erfolgt im Normalfall mit Hilfe der Umschaltarmaturen. Die Gasturbine wird über
den Bypass-Kamin gestartet, wodurch
zwangsläufig der Bypass-Kamin durch die
startende Gasturbine ausreichend belüftet
wird, da das Volumen des Diffusors und des
Kaminunterteils einschließlich der Kaminröhre relativ klein im Verhältnis zum Abgasmassenstrom der startenden Gasturbine ist.
Spülen von Anlagen ohne BypassKamin und ohne Zusatzfeuerung
Sobald beim Hochfahren der Gasturbine etwa
350 bis 400 °C Abgastemperatur erreicht
werden, wird die Last der Gasturbine konstant gehalten und die Umschaltarmatur vollständig in Richtung AHDE geöffnet, um den
Dampferzeuger mit der geringstmöglichen
Abgastemperatur und einem maximal möglichen Volumenstrom zu belüften. Anschließend erfolgt die weitere Laststeigerung
der Gasturbine im Verbund mit dem AHDE.
Bei Kombi-Anlagen ohne Bypass-Kamin
muß die Gasturbine stets über den AHDE an-
Sollte aus Betriebsgründen die Gasturbine im
Single-Cycle betrieben werden, muß sie auf
VGB KraftwerksTechnik 4/99
Diese Anfahrweise kann jedoch nicht bei
allen Gasturbinen vorgesehen werden. Erreicht die minimale Abgastemperatur im Betrieb Werte im Bereich der Zündgrenze des
eingesetzten Brennstoffes, ist ein Spülen des
AHDE nicht mit der oben genannten Methode zulässig. In diesem Fall ist der AHDE nur
mit Hilfe des Anfahrumrichters zu spülen.
Spülvorgang bei flüssigen Brennstoffen
Bei Feuerungen der Gasturbine mit flüssigen
Brennstoffen, deren Zündtemperatur im allgemeinen unterhalb von 350 °C liegt, ist es
notwendig, den AHDE unter Berücksichtigung einzelner Betriebszustände (Störfallabschaltung) mit geringerer Lufttemperatur
zu spülen. In diesem Fall muß der AHDE mit
voll geöffneter Diverterklappe mit Hilfe
eines Anfahrumrichters wie bei einer KombiAnlage ohne Bypass-Kamin gespült werden.
Spülung von Kombi-Anlagen
mit Zusatzfeuerung
Bei diesen Anlagen muß auch die Möglichkeit berücksichtigt werden, daß durch die zusätzlich vorhandene Feuerung Brennstoff direkt in den AHDE gelangen kann. Außerdem
ist zu berücksichtigen, ob diese Anlagen mit
einem zusätzlichen Frischlüfter ausgerüstet
sind.
Spülvorgang bei zusatzbefeuertem AHDE
ohne zusätzlichen Frischlüfter
Diese Kombi-Anlagen müssen nach TRD
411 und 412 immer gespült werden, da deren
Betriebsverhältnisse vergleichbar mit konventionellen Dampferzeugeranlagen sind.
Mit Erdgas befeuerte Anlagen können mit
dem Abgasstrom gespült werden, ölbefeuerte
Anlagen werden mit dem Anfahrumrichter
gespült, wie dieses schon vorher beschrieben
wurde.
Um durch die erforderlichen Spülungsmaßnahmen die Verfügbarkeit der Kombi-Anlage
nicht zu beeinträchtigen, empfiehlt sich
gemäß TRD 411 und 412, auch den AHDE
dahingehend auszurüsten, daß bei nicht in
Betrieb befindlichem AHDE ein unkontrollierter Brennstoffeintrag fehlersicher ausgeschlossen wird und somit auf ein Spülen nach
unplanmäßigem Abstellen der Feuerung ver-
5
zichtet werden kann. Bei Schnellschluß nach
einem Störfall ist allerdings in jedem Fall ein
Spülen vor einem Neustart erforderlich.
Spülvorgang bei zusatzbefeuertem AHDE
mit zusätzlichem Frischlüfter
AHDE-Anlagen mit zusätzlichem Frischlüfter stellen kein Problem dar, da diese ausreichend gemäß der TRD 411und 412 mit dem
Frischlüfter gespült werden – können unabhängig davon, ob diese Anlagen mit einem
Bypass-Kamin ausgerüstet sind oder nicht.
Nachweis des Spülergebnisses
Numerische Berechnung des Spülvorganges
Anhand der ausgeführten Kombi-Anlage im
Rheinhafen-Dampfkraftwerk in Karlsruhe
des Badenwerks AG wurden Strömungsberechnungen des Belüftungsvorganges durchgeführt. Es handelt sich hier um einen AHDE
der vertikalen Bauweise.
Es wurde ein Kaltstart mit vorangegangenem
fehlgeschlagenem Zündversuch unterstellt.
Die dabei möglichen Gaskonzentrationen im
Abhitzeteil der Anlage ergeben sich aus der
Gegenüberstellung der innerhalb der Sicherheitszeit austretenden Gasmengen mit der innerhalb dieser Zeit geförderten Luftmenge.
Der Einfachheit halber wurde davon ausgegangen, daß im gesamten Abhitzeteil, d.h.
Gasturbinen-Abströmkanal, Abhitzedampferzeuger und Kamin zum Zeitpunkt des
Belüftungsbeginns eine maximal mögliche
Gaskonzentration vorliegt.
Die für verschiedene Zeitpunkte in B i l d 2
dargestellten Gaskonzentrationen geben Aufschluß über die Güte des Spülvorganges. Der
Belüftungsmassenstrom der Gasturbine beträgt 80 kg/s, woraus sich bei gefordertem
3fachem Volumenaustausch eine Belüftungszeit von etwas über fünf Minuten ergibt. Dies
entspricht 15 % der Abgasmenge bei Nennlast der Gasturbine.
Die Berechnungen ergaben, daß das LuftGas-Gemisch von der eintretenden Spülluftmenge sehr gleichmäßig und nur mit unwe-
sentlicher Rückvermischung verdrängt bzw.
ausgespült wird. Lediglich im Bereich des
Dampferzeugeroberteils bzw. im späteren
Verlauf auch in der Kaminröhre ergeben sich
geometrisch bedingte Unsymmetrien, wodurch zwar die Zeit bis zum vollständigen
Ausspülen des Luft-Gas-Gemisches geringfügig verlängert, jedoch das Spülergebnis
nicht beeinträchtigt wird.
Es zeigt sich, daß sich bereits durch einen
einfachen Volumenaustausch die Gaskonzentration am Kaminaustritt ungefähr halbiert.
Nach einer Spüldauer von 150 s, was einen
1,4fachen Volumenaustausch bedeutet, ist
die Gaskonzentration im gesamten Abgasweg praktisch auf Null abgesunken.
In B i l d 3 sind außerdem die Ergebnisse
für einen halbierten bzw. verdoppelten Spülmassenstrom dargestellt. Die entsprechenden
Spülzeiten verdoppeln bzw. halbieren sich
dadurch entsprechend. Die Güte des Spülergebnisses ändert sich dabei nur unwesentlich.
Auffallend ist, daß bei halbiertem Spülmassenstrom geringere radiale Konzentrationsgradienten in der Kaminröhre auftreten. Dieses ist deutlich erkennbar durch den Vergleich der Konzentrationen nach 150 s Spülung mit 40 kg/s gegenüber einer Spüldauer
von 37,5 s mit 160 kg/s. Daraus kann geschlossen werden, daß durch eine Erhöhung
der Spülgas- bzw. Spülluftmenge zumindest
keine Verbesserung des Spülergebnisses erzielt wird.
Untersuchung des Spülvorganges
im Strömungsmodell
Es wurde an einem rauchgefüllten verkleinerten Plexiglasmodell einer vorhandenen
AHDE-Anlage maßstabgerecht erstellt und
Strömungsversuche mit verschiedenen Spülmengen durchgeführt. Es handelt sich hier
um einen horizontalen AHDE. Untersucht
wurde dabei das Spülen des Eintrittstraktes
in den Dampferzeuger sowie des Dampferzeugers selbst.
Die Auswertung der Video-Aufzeichnung
zeigt, daß die Effizienz der Spülung unterhalb von 10 % des Verbrennungsluft-Mengenstromes stark abnimmt und oberhalb von
15 % nur unwesentlich verbessert werden
kann, B i l d 4 . Strömungsleitbleche können
dabei die Effizienz der Spülung nachhaltig
verbessern. Im übrigen zeigt eine Erhöhung
der Spülgeschwindigkeit in gewissen Bereichen starke stehende Wirbel mit entsprechend schlechter Spülwirkung.
Spülmengen im Bereich von 10 % sind für
ein sicheres Spülen des Dampferzeugers ausreichend, was durch die praktische Erfahrung
bestätigt wird.
Betrachtung der vorgegebenen
Sicherheitszeiten nach
den Regelwerksanforderungen
Generelle Betrachtung
Die Sicherheitszeit ist festgelegt als die Zeit
vom Eintritt des Brennstoffes in die Brennkammer bis zur Aktivierung der Flammenüberwachung. Somit bestimmt diese Sicherheitszeit die maximale Brennstoffmenge,
welche bei Fehlzündung in die Brennkammer
gelangen kann. Die Begrenzung der Sicherheitszeit ist so festgelegt, daß sich in der Gasturbine kein explosives Gemisch bilden kann,
wobei die Strömungsgeschwindigkeit der
Luft in der Gasturbine eine entsprechende
Verdünnung sicherstellt.
Gelangt dieses Gemisch jedoch in den Abhitzekessel mit wesentlich tieferen Strömungsgeschwindigkeiten, stellt sich die Frage nach
dem Kumulieren von Gasanteilen und der
Bildung eines explosiven Gemisches im Kessel. Damit ist aus Sicht der Autoren ein Kesselspülen nach Störbetrieb bzw. Zündversagen erforderlich.
Im folgenden wird primär auf die Problematik der Sicherheitszeit der Gasturbine eingegangen: Der Startpunkt der Sicherheitszeit
wird als Eintritt des Brennstoffs in die Brenn-
0s
60 s
290 s
0s
30 s
60 s
0s
20 s
30 s
Verbrennungsluftstrom in %
Simulated
5%
Mass Flow
15
Simulated
10 %
Mass Flow
10
Simulated
15 %
Mass Flow
5
1
2
3
4
Spüldauer in min
5
6
Bild 4a. Effizienz der Spülung (purge) des Dampferzeuger-Plexiglasmodells.
6
Start
des Spülens
Wirbel
im Einlauf
Rauchgasreste
im HRSG
Bild 4b. Purge-Test-Ergebnisse des Dampferzeuger-Plexiglasmodells.
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Hauptbrenner
Öl
Regelventil
Sektorventile
Schnellschluß
Gas
Schnellschluß
Schnell- Regelschluß ventil
Bild 5. Anordnung von Schnellschluß- und Regelventilen für die
Brennstoffleitung an Gasturbinen mit Silo-Brennkammer.
Bild 6. Anordnung von Regel-Schnellschluß- und Sektorenventilen für
die Brennstoffleitungen an Gasturbinen mit Ringbrennkammer.
kammer definiert. Da dieser Zeitpunkt mit
keinem Prozeßkriterium exakt bestimmt werden kann, ist das Einhalten der Sicherheitszeit vom entsprechenden Ersatzkriterium
abhängig, sinnvollerweise das Öffnen des
Schnellschlußventils.
kammmer gelangt. Es zeigt sich, daß für Gas
Sicherheitszeiten von 5 s trotzdem annähernd
eingehalten werden können. Analog zu bisherigen Gasturbinen leitet eine Zündhubüberwachung des Regelventils bei Fehlstellung den Schnellschluß ein.
Sicherheitszeiten
bei bisherigen Gasturbinen
Bei Ölbetrieb muß das Regelventil zur Minimierung der Füllzeit kurzzeitig komplett
geöffnet werden. Zudem verhindern Sektorventile auf der Brennkammer ein vorzeitiges
Eintreten von Brennstoff in die Brennkammer.
Bei älteren Gasturbinen mit Silo-Brennkammer und Einzelbrenner sind Brennstoffregelund Schnellschlußventile relativ nahe am
Brenner angeordnet, B i l d 5 . Hierdurch hat
sich das Öffnen des Schnellschlußventils aufgrund der „Nähe zum Brenner“ als sinnvolles
Ersatzkriterium für den Eintritt des Brennstoffs in die Brennkammer angeboten. Das
Schnellschlußventil gilt als sicheres Absperrorgan, und die Leitung bis zum Brenner ist so
kurz, daß die entsprechenden Zündbedingungen in Menge und Druck sehr schnell erreicht
werden können.
Zur Optimierung des Zündvorganges werden
erst die Regelventile auf Zündhub gefahren
und dann die Schnellschlußventile geöffnet.
Eine Zündung ist in 2 bis 3 s möglich, so daß
die in den TRD geforderten Zündsicherheitszeiten für Öl und Gas eingehalten werden
können.
Die Brennerleistung wird in der Zündphase
durch die Regelung begrenzt und durch den
Schutz überwacht. Damit wird sichergestellt,
daß bei Fehlfunktionen des Regelventils ein
Schnellschluß eingeleitet wird, bevor sich
eine größere Menge explosives Gemisch bilden und somit in die Brennkammer gelangen
kann.
Sicherheitszeiten
bei heutigen Gasturbinen
Moderne Gasturbinen mit Ringbrennkammern haben ein relativ aufwendiges Brennstoffverteilsystem mit dadurch sich ergebenden langen Ringleitungen zwischen
den Schnellschlußventilen und Brennern,
Bild 6.
Zur Füllung der Leitungen verstreichen dabei
2 bis 5 s, bevor der Brennstoff in die Brenn-
VGB KraftwerksTechnik 4/99
Ringleitung
Regelventil
Hierdurch ergibt sich folgende Füll- und
Zündsequenz:
— Öffnen der Schnellschlußventile,
— Öffnen der Regelventile, bis die Ringleitung voll ist,
— Zurückfahren auf Zündhub,
— Öffnen der Sektorventile.
Das limitierte Eintreten von Brennstoff bei
Fehlstellung des Regelventils ist mit einer
entsprechend aufwendigen Zündhubüberwachung sichergestellt. Mit dieser Maßnahme
kann die Sicherheitszeit ab dem Öffnen der
Sektorventile auf 5 s gebracht werden. Der
Startpunkt der Sicherheitszeit ist durch das
Öffnen der Sektorventile anstelle der
Schnellschlußventile festgelegt, was dem
eigentlichen Eintreten des Brennstoffs in
die Brennkammer entspricht.
Sicherheitszeiten
bei Zündbrennern
Für Zündbrenner gilt mit der entsprechenden
Zündgasmenge eine Sicherheitszeit von 10 s.
Diese Sicherheitszeit wird nicht durch einen
Flammenmonitor überwacht, sondern indirekt durch die Prozeßlogik.
Die Zündeinrichtung wird zeitlich vor der
Hauptflamme gestartet, und zwar so, daß der
Endpunkt der Sicherheitszeit der Zündflamme mit dem Endpunkt der Sicherheitszeit der
Hauptflamme zusammenfällt. Damit wird
über die Überwachung der Hauptflamme
auch die Zündflamme indirekt überwacht.
Betrachtung der Möglichkeit
von Flammenüberwachungen
bei Gasturbinenanlagen in bezug
auf Regelwerksanforderungen
Es gibt verschiedene Möglichkeiten, die
Feuerung innerhalb einer Anlage zu überwachen. Im einzelnen sind dieses
— Flammenwächter: Zielsetzung ist die
Überwachung des Flammenansatzes,
— Lambda-Überwachung: globale Zuordnung Brennstoff- und Luftverhältnis,
— CO-Überwachung: gibt Aufschluß über
den Ausbrand,
— Temperaturüberwachung.
Im Regelfall ergeben sich bei konventionellen Dampferzeugern keine Probleme in der
Ausführung der Flammenüberwachungseinrichtungen, da diese in den entsprechenden
TRD 411 bis 415 entsprechend erwähnt werden und spezifisch auf die jeweiligen Anlagentypen eingehen. Für Gasturbinenanlagen
gelten im wesentlichen die Forderungen der
TRD 411 und 412 für die Brennstoffe Gas
und Heizöl.
Gemäß TRD 411 und 412 ist das Abreißen
der Flamme durch den Einbau von entsprechenden optischen Flammenwächtern zu
überwachen. Des weiteren ist es möglich,
eine Feuerraumüberwachung vorzunehmen,
wenn ein Querzünden durch vorhandene, in
Betrieb befindliche Brenner gewährleistet ist.
Dieses bringt den Vorteil, daß die Anzahl der
Flammenüberwachungsgeräte somit entsprechend reduziert werden kann.
Bei einigen modernen Gasturbinenanlagen
(wie z.B. ABB GT 24/GT 26) wird die sequentielle Verbrennung zur Steigerung des
Wirkungsgrades eingesetzt (Bild 1). In
B i l d 7 ist anhand eines T/S-Diagramms
dieser Prozeß dargestellt und zeigt, daß die
Eintrittstemperatur in die sequentielle Brennkammer bedeutend höher ist als bei konventionellen Brennkammern. Die Überwachung
der ersten Brennkammer erfolgt konventio-
7
sequentielle Brenner
Zündverzögerung
in ms
HD-Turbine
10
ND-Turbine
Hauptbrenner
T
~ 1000 °C
Methane
Erdgas
1
Dieselöl
0,1
Verdichter
400
600
800
1000
Mischtemperatur in °C
S
Bild 7. Prinzip des Prozesses der sequentiellen Verbrennung anhand
eines T/S-Diagramms.
Bild 8. Selbstzündungstemperatur mit
Angabe des Zündverzuges für
verschiedene Brennstoffe.
nell nach den Vorgaben der vorstehend genannten TRD und unterscheidet sich somit
nicht in der Funktionalität zu herkömmlichen
Brennkammern.
B i l d 8 zeigt die Selbstzündung mit Angabe
des Zündverzuges in Abhängigkeit der Temperatur für verschiedene Brennstoffe.
Bei der sequentiellen Brennkammer ist die
Eintrittstemperatur das Kriterium, welches
eine Verbrennung inhärent sicherstellt. Daher
bietet sich hier die vorhandene Temperatur
als Überwachungskriterium sinnvollerweise
an. In der NFPA 8506 für Dampferzeuger
wird diese Überwachungsmöglichkeit unterstützt und erlaubt somit den Ersatz der Flammenwächter durch eine Temperaturüberwachung oberhalb von Temperaturen 760 °C.
Diese Ausnahme basiert auf der Tatsache,
daß ein Brennstoff-Luft-Gemisch oberhalb
einer bestimmten Temperatur selbst zündet.
Die Voraussetzung für diese Selbstzündung
ist auch das Vorliegen entsprechender Sauerstoffkonzentrationen. Der Gasturbinenprozeß
stellt dieses sicher, und die Verbrennung in
der sequentiellen Brennkammer erfolgt ebenso mit entsprechendem Luftüberschuß. Die
Flammenüberwachung der sequentiellen
Brennkammer erfolgt durch die Überwachung der Eintrittstemperatur in diese.
Bei Unterschreitung der Eintrittstemperatur
von 900 °C (ausreichender Abstand zur
NFPA-Forderung oberhalb von 760 °C) werden die Schnellschlußventile für die Brennstoffzufuhr in diese Brennkammer automa-
tisch geschlossen. Der Weiterbetrieb der ersten Brennkammer wird hierdurch nicht beeinflußt, sofern dort keine Störung vorliegt
und somit auch dort durch sicherheitstechnische Funktionen die Feuerung abgeschaltet
wird.
Dieser Schutz arbeitet unabhängig von der
Regelung, welche primär die Temperatur in
der sequentiellen Brennkammer bestimmt.
Hierdurch wird sichergestellt, daß nach der
Gasturbine keine Verbrennung bzw. Verpuffung möglich ist. Denn wenn brennbare Bestandteile in der Brennkammer im oben genannten Temperaturbereich nicht verbrennen,
werden diese auch nach der Gasturbine bei
tieferen Temperaturen nicht verbrennen bzw.
ein zündfähiges Gemisch bilden.
Zu betrachten ist hierbei jedoch ein eventuell
auftretender Störfall: Wenn in der sequentiellen Brennkammer der Gaseinspeisedruck
sinkt, kann die Flamme ohne Ansprechen der
Temperaturüberwachung löschen und heiße
Brenngase von der Brennkammer rückwärts
in das Gaseinspeisesystem gelangen. Durch
eine Überwachung der Druckdifferenz des
Regelventils wird diesem Rechnung getragen
und ergibt somit keine Probleme.
Zusammenfassung
In diesem Beitrag wurde aufgezeigt, welche
Problemstellungen sich bei der praktischen
Tafel 1. Vergleichende Gegenüberstellung jeweiliger Anforderungen an Spülung, Flammenüberwachung und Sicherheitszeiten
verschiedener anzuwendender Regelwerke.
TRD 411/412
8
Spülen von KombiAnlagen mit vorgegebener Spülmenge auf
Basis der TRD +
NFPA 8506
> 50 %
Verbrennungsluftstrom über eine
Zeitspanne, die
einen 3fachen
Luftwechsel ermöglicht ohne
Temperaturangabe
Flammenüberwachung
Sicherheitszeit
Regelwerk
NFPA 8506
British Gas G.I.
mindestens fünf- 5facher Austausch
facher Volumen- bei Temperatur
austausch der
< 400 °C
Gasturbine bei
mindestens 8 %
des maximalen
Massendurchsatzes. Es werden
auch alternative
Möglichkeiten
zum Nachweis
einer ausreichenden Spülung
angeboten.
Ergebnisse
Modellversuch
Bereich
Klärungsbedarf
Erläuterungen
Es ergibt sich
bei rund 10 %
Spülmassenstrom ein ausreichender
Spüleffekt
Bei etwa 15 %
Spülmassenstrom liegt
nach etwa
1,4fachem Austausch kein
zündfähiges
Gasgemisch
mehr vor. Das
gilt ebenso
bei halbiertem
und verdoppeltem Spülmassenstrom
TRD ist nicht
direkt anwendbar
für KombiAnlagen, und
daher sind entsprechende
Empfehlungen
zu erarbeiten
Ergebnisse des
Modells, Berechnung und die
Angaben der
NFPA, Zusammenführung als
Anwendungsfall
für KombiAnlagen
10 % Spülmassenstrom
und 3facher
Luftwechsel
optische
Flammenwächter optische
Flammenwächter oder Temperatur- Flammenwächter
überwachung
–
–
Abgleich der
– Anforderung
– Aussage
bzgl. der Feuerungsgüte
Temperaturüberwachung in Ergänzung zum
Flammenwächter
TRD 411/412
Tafel 1
–
–
Sicherheitszeit
ab Öffnen der
SSV bis Übernahme des
Flammenwächters als
gesamte Sicherheitszeit definiert
z.B. 12 s;
diese Zeit ergibt
sich z.B. aus 8 s
Vorlaufzeit und
zusätzlichen 4 s
Übernahmezeit
Flammenwächter
Zündsicherheits- Zündsicherheitszeit für:
zeit so kurz wie
Hauptflamme 5 s möglich
Zündflamme 10 s
VGB KraftwerksTechnik 4/99
Umsetzung von Gasturbinenanlagen mit
nachgeschalteten Abhitzedampferzeugern in
bezug auf die anzuwendenden Regelwerke
ergeben können.
Dieses ist unter anderem darin begründet,
daß bei den neuen Gasturbinen die Brennstoffzuführungssysteme relativ lange Zuleitungen aufweisen.
Aufgrund der anzuwendenden Regelwerke
ergeben sich jedoch während der Projektabwickungsphase Diskussionen bei den
Themen
Anhand der aufgeführten Problemstellungen
wurden in diesem Beitrag Lösungsmöglichkeiten aufgezeigt, wie ein sicherer Betrieb
bei gleichzeitiger Einhaltung der hohen Verfügbarkeit technisch möglich ist. Des weiteren wurden in diesem Beitrag alle technischen Abläufe und Diskussionspunkte detailliert und ausführlich beschrieben, damit sich
eine Grundlage für weiterführende Diskussionen ergeben kann, die dann in die entsprechenden Regelwerke aufgenommen werden
sollten.
— Belüften und Spülen der Rauchgaswege,
— Flammenüberwachung,
— Sicherheitszeiten
hinsichtlich deren praktikabler Anwendung.
Im Anfahrbetrieb vor dem Zünden läßt sich
mit der Gasturbine die Forderung der TRD
411 und 412 hinsichtlich eines dreifachen
Luftwechsels mit mindestens 50 % Verbrennungsluftstrom nicht erfüllen.
Ähnlich sieht es bei der Flammenüberwachung der nachgeschalteten 2. Brennkammer
(sequentielle Verbrennung) aus, wo sich der
Einsatz von optischen Flammen-Überwachungseinrichtungen als problematisch erweist, und drittens ergeben sich Diskussionen
bei den gemäß TRD vorgegebenen Sicherheitszeiten, insbesondere bei ölbefeuerten
Gasturbinen, die sich nicht einhalten lassen.
VGB KraftwerksTechnik 4/99
In T a f e l 1 sind die von den Autoren vorgeschlagenen Lösungsmöglichkeiten aufgeführt, wobei eine Gegenüberstellung dieser in
bezug zu den vorhandenen Regelwerken
TRD, NFPA, Britische Norm und der vorstehend dargestellten Ergebnisse erfolgte.
Im Ausland bestehen andere Regularien (z.B.
NFPA 8506), deren Erfahrungen durchaus
diskutiert werden und erforderlichenfalls im
TRD-Regelwerk Berücksichtigung finden
sollten.
Literatur
[1] Technische Regeln für Dampfkessel. TRD
411 und 412 (Entwurf 09/96).
[2] National Fire Protection Association (NFPA)
8506. NFPA 8506 (Stand 1995).
[3] MFUP 8506 (Entwurf 03/97).
[4] Joos, F., Brunner, P., Schulte-Werning, B.,
und Syed, S. (ABB Power Generation Ltd.),
and Eroglin, A. (ABB Management Ltd.):
Devolopment of the sequential cominition
system for the ABB GT 24/GT 26 Gas turbine
familiy.
[5] British Gas: Guidance notes on the installation industrial turbines, associated gas compressors and supplementary firing burners
(06/89).
[6] Weber, K.: Inbetriebnahme verfahrenstechnischer Anlagen. VDI-Verlag (1996).
[7] Fachkunde für den Dampfkraftwerksbetrieb.
VGB-Kraftwerkstechnik GmbH (1976).
[8] Bernecker, G.: Planung und Bau verfahrenstechnischer Anlagen. VDI-Verlag (1984).
[9] Nabert, K., und Schön, G.: Sicherheitstechnische Kennzahlen brennbarer Gase und
Dämpfe. 2. Auflage, Deutscher Eichverlag,
Braunschweig (1991).
9
Projektmethodik und Optimierungskonzept
Projektmethodik
Klären, was zu bewerten ist
Risikopotential und probabilistische Verfahren
Akzeptable Bewertung von Risikoklassen
Probabilistische Verfahren
Betriebsbegleitende Prüfmethoden
Reduzierung der Spannung durch konstruktive und betriebsbedingte
Änderungen am Beispiel eines Speisewasserbehälters
Beanspruchungsverlauf und Vorbeugemaßnahmen
Verlauf der Beanspruchung durch Alterung und Ermüdung
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