Kurzfassung Masterarbeit: Auswirkungen der Erbringung von Sekundärregelleistung auf die Lebensdauer einer Gasturbinenschaufel

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1 Kurzfassung Masterarbeit: Auswirkungen der Erbringung von Sekundärregelleistung auf die Lebensdauer einer Gasturbinenschaufel Wolfgang Lex Diese Masterarbeit wurde im Rahmen einer Industriekooperation am Lehrstuhl für Energiesysteme der Technischen Universität München vom bis angefertigt. Einleitung und Problemstellung Zur Sicherung der Rentabilität von Gas- und Dampf- Kombikraftwerke (GuD) in Kraft- Wärme-Kopplung (KWK) werden diese vermehrt mit zusätzlich vergüteten Regelaufgaben zur Stabilisierung des Stromnetzes beaufschlagt. Als Folge verschiebt sich das Anforderungsprofil des zumeist auf Volllast ausgelegten Gasturbinenteils hin zu Teillastbetrieb, Anund Abfahrzyklen sowie intensiven Lastgradienten. Diese transienten Betriebsweisen sowie der Betrieb abseits des Design-Punkts können in Gasturbinen zu einem erhöhten Verschleiß und damit zu einer Verringerung der Lebensdauer führen. Als Folge kann ein verfrühter Bauteilausfall auftreten. Die Kenntnis etwaiger Schädigungen ist dabei essentiell für die Planung von Wartungsintervallen, Ersatzteilbeschaffung und nicht zuletzt für den rückwirkenden Einfluss auf die Wirtschaftlichkeit. Für die dominanten Schädigungsmechanismen der transienten Betriebsweise von Gasturbinen sind die hohen thermischen und aerodynamischen Belastungen sowie deren Änderungen mit der Last verantwortlich. Besonders betroffen sind die rotierenden Turbinenteile, die Turbinenschaufeln. Diese sind neben der Aussetzung hoher Abgastemperaturen und aerodynamischer Druckkräfte zusätzlich durch hohe statische Fliehkräfte beansprucht. Als Ziel dieser Arbeit wird die Schädigung der Gasturbinenschaufeln durch wiederkehrende Lastwechsel mit numerischer Simulation bestimmt. Diese Lastwechsel sind typisch für die Erbringung von Sekundärregelleistung (SRL). Der Fokus liegt dabei auf der zweiten Turbinenschaufelreihe des dreistufigen Expansionsteils einer Industriegasturbine, da hier kritische Belastungen erwartet werden. Grundlagen der Schädigung von Gasturbinenschaufeln Gasturbinen sind durch den geringen thermischen Ballast des offenen Joule-Prozesses sowie den vergleichsweise dünnwandigen Bauteilen zu hohen Lastgradienten fähig. Damit eignen sie sich besonders gut zur Kompensation kurz- und mittelfristiger Lastspitzen bzw. Lasttälern. Die Regelung der Laständerung erfolgt über den angesaugten Luftmassenstrom mit den verstellbaren Leitschaufeln (inlet guide vanes, IGV) und über den Brennstoffmassenstrom [2]. Neben der gewünschten Leistung ist die Turbineneintrittstemperatur Regelgröße [2]. Sie bestimmt maßgeblich die Schädigung im Turbinenteil der Gasturbine und M-Regeneratio Wolfgang Lex Seite 1

2 unterliegt festigkeitsbedingter Grenzwerte. Gleichzeitig steigt mit der Turbineneintrittstemperatur der thermische Wirkungsgrad der Maschine weshalb nach Möglichkeit hohe Temperaturen anzustreben sind. Bei einer Lastabsenkung verringern sich über den Brennstoffmassenstrom die Turbinenleistung und damit sowohl die Generator- als auch die Verdichterleistung des Gasturbinenstrangs. Mit Absinken der Verdichterleistung verringert sich das abbaubare Druck- und Temperaturgefälle der Maschine. Bei gleichbleibender Turbineneintrittstemperatur wäre dies mit einem erheblichen Anstieg der Turbinenaustrittstemperatur und einer Schädigung des hinteren Turbinen- bzw. Anlagenteils verbunden. Zur Kompensation wird über die IGV der Massenstrom angepasst, damit die Turbineneintrittstemperatur abgesenkt wird um dem Anstieg der Turbinenaustrittstemperatur entgegenzuwirken. Die Lastabsenkung ist folglich mit einem Druckabfall, einem Absenken der Turbineneintrittstemperatur und einem Anstieg der Turbinenaustrittstemperatur in der Maschine verbunden. Bei einer Lasterhöhung laufen die Änderungen in entgegengesetzter Richtung ab. Die Veränderung des Temperatur- und Druckregimes mit der Last führt über einen thermisch und aerodynamisch induzierten Dehnungswechsel zu einer zyklischen Belastung der Gasturbinenschaufel. Selbst bei Dehnungen weit unter der elastischen Streckgrenze kommt es dabei an wenigen mikroskopischen Stellen zu Plastizität [3]. Als Folge bilden sich an besonders kritischen Stellen mikroskopische Risse. Mit Wiederkehren der Belastung können diese mikroskopischen Risse auf sichtbare Größe wachsen um schließlich mit einem Restgewaltbruch zum Bauteilversagen führen. Dieser Prozess wird als Materialermüdung bezeichnet. Zusätzlich bringt die Lage der Turbinenlaufschaufel im Nachgang der Brennkammer Materialtemperaturen bis nahe an den Materialschmelzpunkt mit sich. In diesem Temperaturbereich finden thermisch aktivierte Prozessen im Metallgitter statt [1]. Hierbei führt bereits eine Spannung weit unter der materialspezifischen Streckgrenze zu einer mit der Zeit fortschreitenden plastischen Verformung. Dieser Vorgang wird als Kriechen bezeichnet. Der Ansatz einer dauerhaften Materialfestigkeit wandelt sich hin zu einer Lebensdauer in Abhängigkeit der Temperatur und der belastenden Spannung. Die schädigende Wirkung eines gesamten Lastwechselzyklus lässt sich vereinfachend in zwei Bereiche unterteilen: eine Ermüdung durch den Lastwechsel selbst und eine eventuelle Erhöhung der Kriechschädigung aufgrund der Ziellast des Lastwechsels. Berechnungsmodell Zu Beginn muss das zeitlich aufgelöste Temperatur- und Druckprofil in bzw. auf der Gasturbinenschaufel bestimmt werden. Dies ist über eine transiente, numerische Simulation der Strömung mit gekoppelter Simulation der Festkörperwärmeleitung im Schaufelkörper umgesetzt. Die Berechnung erfolgt in der Software-Umgebung ANSYS CFX mit einem Berechnungsnetz von 4,5 Mio. Zellen. Die thermodynamischen Randbedingungen werden aus einem vorangegangenen Prozessmodell des Lehrstuhls für Energiesysteme der Technischen Universität München bereitgestellt. Das Ergebnis der gekoppelten Simulation dient als Eingangsdatensatz einer nachfolgenden strukturellen Untersuchung der Gasturbinenschaufel nach der Finiten Elemente Methode. Hierbei wird der mechanische Spannungs- und Dehnungszustand der Schaufel ermittelt. Die Umsetzung erfolgt in ANSYS Mechanical mit einem Berechnungsnetz von 1 Mio. Zellen. M-Regeneratio Wolfgang Lex Seite 2

3 Als Ergebnis entsteht ein zeitlich und örtlich hochaufgelöstes Profil der Temperatur, der mechanischen Spannung und der Dehnung im Schaufelkörper für die untersuchten Lastwechsel. Mit dem Zeitstandfestigkeitsdiagramm nach Larson-Miller kann hieraus die Kriechbelastung zu jedem Zeitpunkt bestimmt werden. Über den Vergleich der Dehnung zu allen Zeitpunkten eines Lastzyklus wird der maximale Dehnungswechsel während der Laständerung ermittelt. Mit diesem kann über ein entsprechendes Dehnungs-Wöhler-Diagramm die Ermüdungswirkung des Lastwechsels bestimmt werden. Ergebnisse Die schädigende Wirkung der Erbringung von SRL ist nachfolgend exemplarisch für einen typischen Lastwechsel von 25 % der Nennlast innerhalb von 5 min gezeigt. In Abbildung 1 ist hierzu der Einfluss der Ermüdung auf die Lebensdauer der Gasturbinenschaufel dargestellt. Das Teilbild a) zeigt die resultierenden Dehnungswechsel der exemplarischen Laständerung. Die Stellen höchster Ermüdungserscheinungen sind an den Stellen größter Dehnungswechsel zu erwarten. Hiernach sind Bereiche der Vorderkante des aerodynamischen Schaufelprofils und Übergangsbereiche des Schaufelprofils zum massiveren Schaufelfuß ermüdungsgefährdet. Gleichzeitig sind Teile der Schaufelspitze (Deckband) durch Ermüdungserscheinungen belastet, wenn auch dieser Bereich für die Bauteilsicherheit wenig relevant ist. In allen Bereichen der Laufschaufel liegen die maximalen Dehnungswechsel deutlich unter 1 mm/m. Das Teilbild b) der Abbildung 1 beschreibt eine spezielle Form des Dehnungs-Wöhler- Schaubilds des eingesetzten Schaufelwerkstoffs IN738 LC. Es zeigt sich, dass bei Dehnungswechseln unter 1 mm/m die ertragbaren Lastwechsel bis zum Bruch weit in der Größenordnung 10 4 liegen. In der Lebensdauer der Laufschaufel sind in der Erbringung von SRL jedoch weniger als 10 4 Lastzyklen zu erwarten. Folglich ist bei Dehnungswechseln unter 1 mm/m mit keiner Schädigung durch Ermüdung in der Lebensdauer der Laufschaufel zu rechnen. Neben dem exemplarischen fallen alle untersuchten Lastwechsel in den schadensfreien Bereich. Die Abbildung 3a) zeigt hierzu die maximalen Dehnungswechsel des gesamten Laufschaufelkörpers bzw. Deckbandbereichs für verschiedenste Laständerungen. Selbst bei Lastwechsel von 50 Prozentpunkten ist keine Schädigung durch Ermüdung in der Lebensdauer der Schaufel zu erwarten. In Abbildung 2 ist der Einfluss der Kriechschädigung auf die Schaufellebensdauer im Zusammenhang von Lastwechseln gezeigt. Für die Untersuchung der Kriechschädigung ist die Start- bzw. Ziellast von entscheidender Bedeutung. Hierzu zeigt das Bild a) den Lebensdauerverbrauch nach Larson-Miller-Methode bei 100 % Last und das Bild b) bei 75 % Last. Der Lebensverbrauch ist dabei auf die geplante Einsatzdauer der Schaufel normiert. Bereiche hoher Kriechschädigung sind rötlich gefärbt, Bereiche niedriger Schädigung bläulich und Bereiche ohne relevante Schädigung tragen die Körperfarbe. Es zeigen sich wesentliche Kriechbelastungen an der Schaufelspitze und moderate Belastungen an der Hinterkante des Schaufelprofils. An diesen Stellen können durch Kriechschädigung Risse entstehen und so zu einem Versagen der Schaufel führen. In vielen Fällen werden die Schaufeln jedoch deutlich früher aufgrund der längenden Wirkung des Kriechens und der damit verbundenen Unterschreitung von Spaltmaßen ausgemustert. Zur Längung trägt v.a. der Profilbereich der Schaufel bei weshalb dem Kriechen im Deckbandbereich nur untergeordnete Bedeutung zukommt. Im Vergleich der Abbildung 2 a) und b) zeigen sich mit fortschreitender Teillast bzw. Lastabsenkung ein Anstieg der Lebensdauer und damit ein Sinken der Kriechschädigung. Dies ist ebenso bei der Betrachtung der Kriechschädigung bei verschie- M-Regeneratio Wolfgang Lex Seite 3

4 a) Dehnungswechsel 100% auf 75% Last b Ermüdung in IN738 LC nach (EPRI) Abbildung 1: Ermüdungsschädigung durch Lastwechsel a) 100% Last b) 75% Last Abbildung 2: Kriechschädigung in verschiedenen Lastbereichen M-Regeneratio Wolfgang Lex Seite 4

5 a) Ermüdung bei verschiedenen Lastwechseln b) Kriechschädigung verschiedenen Lasten Abbildung 3: Schädigungspotenzial verschiedener Lastwechsel und Lasten denen Lasten nach Abbildung 3 b) zu erkennen. Da sich alle einschlägigen Service- und Wartungskonzepte von Schaufeln auf Volllaststunden (100% Last) beziehen, ist durch den Teillastanteil bei der Erbringung von SRL von einer Schonung der Schaufel auszugehen. Zusammenfassung Im Rahmen dieser Arbeit konnte die schädigende Auswirkung der Erbringung von SRL auf die zweite Turbinenlaufschaufelreihe einer Gasturbine als vernachlässigbar gering ermittelt werden. Generell sind die Ergebnisse unter Einbezug der getroffenen Annahmen auf den gesamten Turbinenteil einer Gasturbine übertragbar. Selbst bei maximal zulässigen Laständerungsgeschwindigkeiten ist in Bezug auf die Bauteillebensdauer keine wesentliche Schädigung zu erwarten. Damit ist mit der Erbringung von SRL kein direkter Anstieg der Reparatur- und Wartungskosten für die Gasturbinen zu erwarten. Aufgrund der simulationsgestützten Untersuchung verschiedenster Lastszenarien können die Ergebnisse ebenso zur Beurteilung der Erbringung von Primärregelleistung und Minutenreserve (Tertiärregelleistung) verwendet werden. Dadurch können sie eine wichtige Rolle in der Beurteilung der Wirtschaftlichkeit des Anlagenbetriebs spielen. Die Erkenntnisse dieser Arbeit zeigen auf, dass KWK-geführte GuD-Anlagen die Erbringung von Regelenergie als wichtige Systemdienstleistung ohne wesentliche Lebensdauerverluste erbringen können. Damit kann die Position dieses Anlagentyps als Brückentechnologie der Energiewende weiter gefestigt werden. Literaturverzeichnis [1] Bargel, Hans-Jürgen, Günter Schulze. Werkstoffkunde Berlin: Springer Verlag, 2012 [2] Lechner, Christof, Jörg Seume. Stationäre Gasturbinen Berlin: Springer Verlag, 2010 [3] Schijve, Jaap. Fatigue of Structures and Materials Dordrecht: Kluwer Academic Publishers, 2001 M-Regeneratio Wolfgang Lex Seite 5