Die Welland & Tuxhorn AG Die wissenschaftlichen und technischen Arbeitsziele des Forschungsprojektes KOMET 650

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1 Die Welland & Tuxhorn AG ist ein führender Hersteller von Spezial-Regelventilen für die Kraftwerksindustrie. Wir sind Spezialisten für Dampfumform- und Umleit-Technologie und stellen außerdem eigene hydraulische Antriebssysteme her. Weiterhin finden unsere Spezialventile Anwendung in industriellen, chemischen und petrochemischen Anlagen. Auf ca m² im zentralen Firmenstandort Bielefeld/Nordrhein-Westfalen werden 165 Mitarbeiter beschäftigt. Das Unternehmen versteht sich als Komplettanbieter für anspruchsvolle Aufgabenstellungen in der Steuerung und Regelung im gesamten Wasser- und Dampfkreislauf thermischer Kraftwerke. Dazu werden alle Disziplinen von der individuellen Entwicklung bis zum planmäßigen Service der Anlagen abgedeckt. Regelventile im Kraftwerkskreislauf sind maßgeblich für die Verfügbarkeit des Kraftwerkes verantwortlich. Zum weltweiten Kundenkreis gehören namhafte Betreiber wie RWE, EON, EnBW, Vattenfall, Steag, Mark E, Eskom, und viele mehr. Welland und Tuxhorn AG arbeitet außerdem mit allen bekannten Kraftwerks-Zulieferern wie z.b. Siemens und Alstom und Kesselherstellern wie Babcock Hitachi, Doosan, Balcke Dürr und anderen zusammen. Forschung und Entwicklung ist für die Welland und Tuxhorn AG von herausragender Bedeutung, um mit seinen Produkten den ständig wachsenden Anforderungen der Kunden gerecht zu werden. Forschungsprojekte wie KOMET 650 ermöglichen es, praktische Erfahrungen unter Echtbedingungen zu sammeln. Die wissenschaftlichen und technischen Arbeitsziele des Forschungsprojektes KOMET 650 decken sich mit den aktuellen Planungsparametern heutiger ultra superkritischer Kraftwerkstechnologien. Die Forderung nach immer höheren Prozesstemperaturen zur Steigerung des Wirkungsgrades der Dampfprozesse stellt auch immer größere Ansprüche an die Regeleinrichtungen in den entsprechenden Kraftwerken. Diejenigen neuen Kraftwerke, für die eine Anhebung der Prozessparameter in Frage kommen, werden überwiegend zur Grundlast-Stromerzeugung eingesetzt. Vor allem für diese Anlagen ist maximale Verfügbarkeit und Betriebssicherheit unabdingbar. 1

2 Die Qualität der eingesetzten Regel- und Sicherheitsarmaturen beeinflusst diese Parameter und so stellen diese Komponenten lebenswichtige Organe für den Betrieb der Anlagen dar. Aus diesen Überlegungen entstand die Anforderung auch den Bereich der Armaturen in das Forschungsprojekt mit einzubeziehen. Es wurde untersucht, inwiefern sich bewährte Konstruktionsprinzipien und Materialien im spezifizierten Druck- und Temperaturbereich bewähren. Weiterhin ist es in Teilbereichen notwendig, neue Konzepte und Konstruktionsprinzipien für die veränderten Prozessparameter zu entwickeln und deren Zuverlässigkeit in Langzeitversuchen nachzuweisen. Die Untersuchungen und Auswertungen wurden in enger Zusammenarbeit mit dem Institut für Dampf- und Gasturbinen der RWTH Aachen ( IDG ) durchgeführt. Die Firma Welland & Tuxhorn AG wurde bei der, für die numerischen Untersuchungen notwendigen Vernetzungen der Ventilgeometrien, der Auswahl der richtigen Randbedingungen sowie bei der Analyse der Rechenergebnisse und bei deren Dokumentation unterstützt. Die durchgeführten Untersuchungen im Bereich der Armaturen lassen sich grob in zwei grundsätzliche Bereiche unterteilen: Es wurde zum Einen untersucht, inwiefern sich bestehende Konstruktionsprinzipien und übliche Ventilmaterialien in den Druck- und Temperaturbereichen bewähren. Zum Anderen ist es in Teilbereichen notwendig, neue Konzepte und Konstruktionsprinzipien für die veränderten Prozessparameter zu entwickeln und deren Anwendbarkeit in Langzeitversuchen nachzuweisen. Das Versuchsprogramm hinsichtlich der applizierten Regelventile umfasste im Einzelnen die folgenden drei hauptsächlichen Aspekte: 1) Im Rahmen von Langzeitversuchen werden aerothermisch hoch belastete Bauteile der Regelarmatur untersucht. Es wird ihre Beständigkeit insbesondere gegen dynamische Temperaturbelastungen untersucht. Das Problem des Thermoschocks ist seit langem bekannt und äußert sich darin, dass sich jedes Bauteil der Armatur bei der Änderung des Betriebspunktes lokal unterschiedlich schnell erwärmt bzw. abkühlt. Das Bauteil wird somit zusätzlich mechanisch beansprucht. Insbesondere mit Blick auf die Anwendung von Ventilen größerer Bauart ist dieser Effekt zu untersuchen. 2

3 2.) Als sensitive Konstruktionselemente sind weiterhin die Dichtungen und Führungen zu benennen. Es werden sowohl statisch belastete Dichtungen zwischen Gehäuse und Deckeleinsatz als auch dynamisch belastete Dichtungen im Bereich der Führung zwischen Spindel und Gehäuse untersucht. Diese Dichtigkeitsmessungen werden in Form von Langzeitversuchen durchgeführt. 3.) Der Temperaturverlauf im Bereich der so genannten Laterne, dem Koppelelement zwischen Ventil und Antrieb wurden an mehreren Messstellen erfasst. Dies galt sowohl für den stationären Betrieb, als auch insbesondere für Anund Abfahrvorgänge. Rückschlüsse einer optimalen Funktionsfähigkeit und Lebensdauer für den Antriebsbereich sollten untersucht werden. Die Ergebnisse der experimentellen Untersuchungen zeigten vielfältige Erkenntnisse. Es wurden im Rahmen des Forschungsprojektes an zwei Regelventilen Analysen durchgeführt. Die Ventile wurden speziell für die detaillierten nachfolgenden Untersuchungen bei der Welland & Tuxhorn AG entwickelt und gefertigt. Es handelt sich um dreistufige Regelventile in Durchgangsbauform, welche innerhalb der Bypass Strecke in die Rohrleitung eingeschweißt wurden. Die Ventile waren dabei so konzipiert, dass insbesondere die Regel und Drosselorgane im Rahmen von geplanten Inspektionen oder Wartungen ausgetauscht werden konnten. Die Ventile selbst unterschieden sich im Wesentlichen durch die Art des gewählten Antriebes. Ventil Nr.1 wurde durch einen elektrischen Antrieb aktiviert; das Ventil Nr.2 wurde durch einen pneumatischen Antrieb gesteuert. Zur automatisierten Erfassung verschiedener Messgrößen wurden Messaufnehmer installiert. Die Dampftemperatur und der Eintrittsdruck, sowie der Austrittsdruck wurden kurz vor bzw. hinter dem Ventil appliziert. Das Ventil wurde im Bereich des Gehäuses sowie dem verlängerten Bereich zum Antrieb, der sogenannten Laterne, mit zehn Thermoelementen in unterschiedlichen Entfernungen von der Rohrleitung ausgestattet. 3

4 Weiterhin wurden zwei Wegmesssensoren zur Überwachung der bestehenden Dichtungen platziert. Zusätzlich wurde ein Druckaufnehmer für den Bereich der Dichtung platziert. Alle Daten der elektronischen Messwertgeber wurden über die gesamte Versuchsdauer dokumentiert. Das pneumatisch angetriebene Regelventil war waagerecht angeordnet; das elektrisch angetriebene Ventil wurde vertikal montiert. So konnten die Antriebskonzepte sowie auch die Einbaulagen parallel untersucht werden. Für beide Ventile gelten folgende grundsätzliche, technische Daten: Nennweite: Eintritt 32, Austritt 65 Nenndruck: Eintritt PN 500 Austritt PN 250 Eintrittstemperatur: 650 C Austrittstemperatur: C Eintrittsdruck: 180 bar Austrittsdruck: bar Sitz Ø 24 mm Stellzeit für den ges. Hub: sec. Massenstrom: 1,11 kg/s. Anzahl der Regelstufen: 1 x Regelkolben Anzahl der Drosselstufen: 2 x Lochzylinder Erstmals wurden diese Ventile innerhalb der Bypass Strecke des Versuchsstandes im Kraftwerk Westfalen (Hamm) am mit Dampf beaufschlagt. Die beiden Ventile wurden im Testbetrieb parallel zueinander geschaltet. Von der Leitwarte des Kraftwerks wurde eines der beiden Versuchsventile ständig über eine vorgegebene Funktion auf- und zu gefahren. Dies allein hätte zu einem schwankenden Druck auf der Niederdruckseite der Ventilschleife geführt. Das 2. Versuchsventil kompensiert diesen von der Warte vorgegebenen Regelvorgang. Beide Ventile wurden bezüglich ihrer Sitzdurchmesser, der Regelquerschnitte und auch der Drosselquerschnitte gleich dimensioniert. 4

5 Das auf den Austrittsdruck kontinuierlich regelnde Ventil arbeitet also immer in Abhängigkeit auf die Ansteuerung des von der Warte angesteuerten Ventils. So konnte ein echter Dauerbetrieb aufgebaut werden, wobei beide Ventile dann in Abhängigkeit von der Leitwartenfunktion gesteuert werden. Im Bild 1 werden die Ventilpositionen für die beiden Ventile für einen Zeitraum von ca. 18 Stunden dargestellt. Die dargestellte Kurve P - Hub in blau stellt die vorgegebene Funktion der Ansteuerung des pneumatisch angesteuerten Ventils dar. Die grüne Kurve kennzeichnet die Position des nachregelnden elektrischen Regelventils. Man erkennt die gegenläufige Tendenz der beiden Positionen. Bild 2 stellt die Messwerte der Wegaufnehmer dar, die zur Kontrolle der Deckeleinsatzdichtung bzw. Langfestigkeit installiert wurden. Sie befinden sich zwischen dem Deckeleinsatz bzw. der Stopfbuchse und dem Gehäuse. Die Werte werden hier in einem Zeitraum von ca. 2 Monaten dargestellt. Man erkennt, dass kein Verschleiß festgestellt werden kann. Kleinere Ausschläge werden hervorgerufen durch kleinere Druckentlastungen bzw. Druckschläge innerhalb der Ventile. Nur knapp 50% der theoretischen Gesamtlaufzeit können als Betriebsstunden der Regelventile anerkannt werden. Stillstandzeiten waren zum Teil auf planmäßige Revisionen am Kraftwerksblock oder Entnahme von Proben aus den Versuchsanlagen zurück zu führen. Ungeplante Ausfälle anderer Teile der Versuchsanlage führten zu häufig länger andauernden Unterbrechungen. So wurden beispielsweise anderweitig beschaffte Absperrventile, welche nach herkömmlichen Kriterien ausgeführt waren, durch Hochtemperatur - Absperrventile von Welland & Tuxhorn AG ersetzt. Hierdurch wird nochmals verdeutlicht, welche besondere Herausforderung die richtige Dimensionierung und Ausführung von Ventilen, für diesen Druck und Temperaturbereich, darstellt. Die Funktion der beiden im Rahmen dieses Projektes untersuchten Versuchsventile konnte über den gesamten Versuchszeitraum einwandfrei gewährleistet werden. Im Rahmen der kontinuierlichen Ermittlung der Messwerte waren beide Regelventile in mehr als Betriebsstunden im Einsatz. Im Zeitraum der Untersuchungen wurden insgesamt 5

6 mehr als 80 Millionen Einzelmesswerte an den beiden Versuchsventilen aufgenommen (Bild 3). Hierbei wurde das Verhalten der Versuchsventile sowohl während der An- und Abfahrvorgänge als auch im Dauerbetrieb dokumentiert. Im Bild 4 werden Dampftemperaturen und die Temperaturen der einzelnen Ventilkomponenten dargestellt. Es handelt sich um einen Kaltstart der Anlage, wobei die großen Temperaturgradienten der einzelnen Bereiche ersichtlich werden. Das Ventil wurde innerhalb dieses Vorganges nur für kurze Zeit geöffnet bis die kontinuierlichen Verhältnisse hergestellt wurden. Die in einem solchen Fall auftretenden Belastungen für die Ventilkomponenten sind erheblich und müssen bei der Auslegung insbesondere berücksichtigt werden. Beide Ventile wurden in regelmäßigen Abständen inspiziert. Hierzu war es erforderlich, dass die gesamte Anlage abgestellt war. Die Ventile wurden anschließend geöffnet und insbesondere die Regel- und Drosselorgane eingehend auf Verzunderung und Verschleiß untersucht. So wurde beim ersten Öffnen des elektrisch betriebenen Ventils nach einer Laufzeit von mehr als Betriebsstunden festgestellt, dass die Drosseleinsätze aufgrund des erheblichen Anteils von Zunderpartikeln innerhalb des Dampfstroms erosiv beschädigt wurden. Für diese Bauteile wurde das Material verwendet, welches grundsätzlich für die Verwendung bei den in der Anlage vorherrschenden Drücken und Temperaturen geeignet ist. Allerdings führten Fremdpartikel innerhalb der Dampfströmung zu Auswaschungen in dem Regel- und Lochzylinder. Die Beladung des Dampfstroms durch die stromauf liegenden Anlagenteile mit Zunderpartikeln aus dem Hochdruckteil der Großrohrstrecke sowie einem Werkstoffmodul zur Untersuchung von Turbinenwerkstoffen führten in Verbindung mit der im Ventil naturgemäß vorhandenen hohen kinetischen Energien nach einer relativ kurzen Laufzeit zu den erläuterten Effekten. Als Konsequenz aus dieser Erkenntnis wurden die Drosseleinsätze aus einem erosionsbeständigerem Material gefertigt. Im Bild 5 werden die Regelorgane, Drosselorgane und das Gehäuse im Vollschnitt dargestellt. Der Dampfeintritt erfolgt auf der linken Seite und durchströmt bei geöffneter Spindel den Sitzbereich. Je nach Position der Spindel werden die ersten Bohrungen im Regelzylinder freigegeben; dies ist die Regelstufe des Ventils. Anschließend werden 2 Lochzylinder vom Dampf durchströmt und gelangen in eine Ringkammer, die auf der rechten 6

7 Seite in den Austritt mündet. Der Dampfdruck wird in den Regelstufen und in den Drosselstufen jeweils unterkritisch reduziert. Die maximalen Geschwindigkeiten treten innerhalb der Regelquerschnitte der einzelnen Stufen auf. Eine Temperaturreduzierung erfolgt nur im Rahmen der natürlichen Kühlung des Dampfes; im Wesentlichen abhängig von den reduzierten Drücken jeweils nach den einzelnen Regel- und Drosselstufen. - Ventilspindel - Die Spindel ist in einer solchen Ventilkonfiguration als eine höchst belastete Komponente zu betrachten. Die besten Ergebnisse bezüglich der Materialauswahl der Ventilspindel wurden erzielt mit dem Material Im Bereich der Dichtkante wird das Material aufgepuffert. Die Spindel wurde einteilig ausgeführt, wobei für Kolbenringe das Material verwendet wurde. Die Werkstoffanalyse wies keine Auffälligkeiten auf; alle Legierungsbestandteile lagen innerhalb der vorgegebenen Materialspezifikation. Die mittlere Kernhärte wurde untersucht und zeigte keinerlei Auffälligkeiten. Die aufgeschweißten Dichtkanten wiesen keine Erosionserscheinungen auf. Das zwischenzeitlich für die Spindel eingesetzte Material zeigte nach einer Einsatzdauer von über Stunden allerdings erheblichen Verschleiß, insbesondere im Bereich der Regelkanten. Dieser Versuch diente dem Nachweis, dass herkömmliche Materialien unter den genannten Bedingungen für den Langzeiteinsatz nicht geeignet sind. Bild 6 - Regel und Drosselorgane - Als das am stärksten belastete Bauteil hat sich erwartungsgemäß der Regelzylinder herausgestellt. Der Regelzylinder und auch die Lochzylinder wurden bei der ersten Konfiguration aus gefertigt. In den einzelnen Bohrungen des Regelzylinders bzw. des Drosselzylinders wurde bei die Abrasion nach Stunden festgestellt. Parallel wurden ein Regel- und Drosselorgan aus produziert und eingebaut. Dieses Material zeigte sich erheblich besser geeignet. Eine weitere Ausführung mit dem Material zeigt vermehrte Zunderneigung des Materials bei den realisierten Temperaturen. 7

8 Zum Teil wurden starke erosive Auswaschungen gegenüberliegend der Drosselbohrungen festgestellt. Als Ursache für diesen Effekt kommt ausschließlich Erosion durch Oxidationspartikel in Frage, die in der Großrohrstrecke sowie in den Werkstoffmodulen der Turbinenschaufeln vor den Ventilen entstanden sind. Die Funktion der Regelventile wurde dadurch nicht beeinträchtigt. Neben der Standzeit ist auch die Demontagefähigkeit solcher Komponenten konstruktiv zu berücksichtigen Neben der Bauteilkontur ist bei Regel- und Drosselorganen insbesondere die Ausführung der Regelbohrungen und deren Kanten wichtig für ein kontinuierliches Regelergebnis der Ventile. Nur bei konnten die Bohrungskanten über den Betriebszeitraum den starken thermischen Belastungen standhalten. Der Ventilsitz wurde im Verlauf des gesamten Forschungsprojektes nicht ausgetauscht. Abschließende Untersuchungen zeigten keinerlei Verschleiß im Sitz. Für die genannten Betriebsparameter und die aufgeführten Betriebszeiträume bleibt als Ergebnis der experimentellen Untersuchung festzuhalten: der praktische Festigkeitsnachweis aerothermisch hoch belasteter Ventilbauteile konnte erbracht werden die Standzeiten von dynamisch belasteten Bauteilen, wie Dichtungen und Führungen sind praktikabel einige Werkstoffe müssen bei der Anwendung als Druckregelelement ausgeschlossen werden Einsatzgrenzen einiger Werkstoffe werden neu festgelegt konstruktive Modifikationen in Bezug auf die Montage- und Demontagefähigkeit der Regelventile wurden berücksichtigt Im Rahmen des Verbundvorhabens KOMET 650 wurden in enger Zusammenarbeit mit den Partnern aus der Industrie sowie dem Institut für Dampf- und Gasturbinen der RWTH Aachen umfangreiche experimentelle und numerische Untersuchungen zur Langzeitbeständigkeit und Betriebssicherheit von Regelarmaturen durchgeführt. 8

9 Durch die experimentellen Untersuchungen an den beiden Versuchsventilen konnte nachgewiesen werden, dass für den Druck- und Temperaturbereich der aktuellen Kraftwerksgeneration zuverlässige und betriebssichere Armaturen bereitgestellt werden können. Zusätzlich zu den mechanischen und thermischen Gesichtspunkten sind auch dynamische Effekte für die Betriebssicherheit von großer Bedeutung. In den letzten 20 Jahren ist der weltweite Verbrauch an elektrischer Energie stetig um ca. 330 TWh pro Jahr auf fast 15 PWh angestiegen. Für die nächsten zwanzig Jahre wird sich nach Einschätzung der Weltenergiekonferenz WEC dieser Trend fortsetzen und sogar leicht verstärken, so dass im Jahr 2020 ein weltweiter Energieverbrauch von ca. 23 PWh erwartet wird. Berücksichtigt man die Restlebensdauer der vorhandenen Anlagen, so ergibt sich für die nächsten Jahre ein jährlicher Bedarf an Neuanlagen von ca GW/Jahr mit steigender Tendenz. Bei diesen Anlagen wird es sich zu ca. 45 % um fossil befeuerte Dampfturbinenkraftwerke und zu weiteren ca. 30% um kombinierte Gas- und Dampfturbinenanlagen handeln. Um die Stellung der deutschen Kraftwerksindustrie in dem weltweiten Wettbewerb um die Aufträge zur Errichtung dieser Anlagen zu stärken, ist es unerlässlich, dass die deutschen Unternehmen stets auf dem aktuellen Stand der Forschung und Entwicklung sind. Hierzu hat das Verbundprojekt einen erheblichen Beitrag geleistet. Die gewonnenen Erkenntnisse haben der deutschen Kraftwerks- und Zulieferindustrie verlässliche Daten zur Beständigkeit der neuen Materialien bzw. Technologien und damit zur Auslegung und Lebensdauerberechnung der von ihnen aktuell projektierten Komponenten und Anlagen geliefert. 9