Online Reinigung der Kessel im MKW Schwandorf mit Wasser. Dr. Jörg Krüger

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1 Online Reinigung der Kessel im MKW Schwandorf mit Wasser Dr. Jörg Krüger Durch Erfassung des Kesselzustandes und geeigneter rechtzeitiger Reparaturen sind ungeplante Abstellungen die Ausnahme geworden. Die Reisezeiten der Linien 1-3 des Müllkraftwerkes Schwandorf werden im wesentlichen über die Verschmutzung der Strahlungszüge und die daraus resultierende hohe korrosive Belastung der Überhitzer im Eingangsbereich zum konvektiven Bereich bestimmt. Es hat sich gezeigt, daß die Standzeiten der Überhitzer bei einer Rauchgasanströmtemperatur von unter 650 C deutlich gesteigert werden können. Mit den installierten pneumatischen Wand- und Schottenklopfern werden unter vorher beschriebenen Bedingungen bei stationärem Betrieb Reisezeiten von ca. drei Monaten erreicht. Die Wirkung der Klopfer kann durch massive Leistungsreduzierung bzw. kurzzeitigen Abfahrbetrieb zur Erzeugung von Wärmespannungen in den Belägen verbessert werden. Dieses Wissen basiert zum Teil auf der Erfahrung, daß bei Betriebsstörungen und beim Abfahren durch Betrieb der Klopfer eine besonders gute Reinigung erreicht wird. Die damit erreichten Erfolge waren eine deutliche Verbesserung, jedoch für die angestrebten zwei Abreinigungen pro Jahr nicht ganz ausreichend. Es war weiterhin aufgefallen, daß bei Leckagen mit Wasseraustritt die vom Wasser angestrahlten Heizflächen bei ausreichendem Abstand belagfrei waren und keine auffälligen Schäden aufwiesen. In Absprache mit dem TÜV werden seit 4 Jahren gezielt kleinere Bereiche der Schotten während des Betriebes mit Wasser gereinigt. Als Ergebnis dieser Versuche wurde festgestellt, dass keine zusätzlichen Korrosionsschäden durch Wasser bzw. durch Wasser Verbindung mit sauren Rauchgasbestandteilen zu erkennen waren und ein Einsatz von mit Trinatriumphosphat alkalisiertem Wasser keine besseren Ergebnisse brachte. Parallel zu den Versuchen wurde bekannt, daß seit Mitte der 70er Jahre besonders in braunkohlebeheizten Kesseln Wasser zur Reinigung eingesetzt wird. Um zu klären, welche Abkühlung und Belastung der Kesselrohre durch den Einsatz von Wasser bei der Reinigung auftritt, wurden die Ergebnisse von Untersuchungen von Wasserlanzenbläsern sowie Erkenntnisse des TÜV und eigene Berechnung herangezogen. Es sind grundsätzlich zwei Reinigungsvorrichtungen zu differenzieren, die sich auch hinsichtlich der thermischen Belastung unterscheiden.

2 Lanzenbläser Der Mechanismus der Reinigung ist in allen Fällen annähernd gleich. Wasser tritt durch die Beläge auf die Heizflächen auf und verdampft dort schlagartig. Bei Lanzenbläsern ist der Impuls des Strahles so groß, daß auch feste Krusten über eine Entfernung von bis zu 16 Metern zerstört werden und ein Teil des Wassers unter den Belägen durch Verdampfen einen Überdruck erzeugt, der schließlich die Beläge abhebt. Die Fa. Bergemann hat als Hersteller von Lanzen umfangreiche Untersuchungen durchgeführt und einen neuen Lanzentyp entwickelt. Anstelle einer durch die Wand geführten - auf einer Spindel angeordneten - Drehlanze wurde eine Lanze entwickelt, die in einem Kardangelenk in der Kesselwand geführt ist und die gegenüberliegende Kesselwand reinigt. Während mit einer Drehlanze maximal ein Radius von 5 m erreicht werden konnte, kann mit der neu entwickelten Lanze WLB 30 annähernd die ganze gegenüberliegende Kesselwand und ein Teil der Seitenwände gereinigt werden. Eine programmierte Steuerung fährt den Wasserstrahl mäanderförmig über die Kesselwand und stellt dabei sicher, daß Brenner und Luken nicht angeblasen werden. In einer Veröffentlichung wird beschrieben, daß zur Reinigung eines Kessels mit 21 m Kantenlänge anstelle von 15 Drehlanzenbläsern nur eine neue Lanze benötigt wird. Bei sachgerechter Anwendung sind Schäden an den Wandheizflächen der Kessel nicht eingetreten. MSB - Rasensprenger Im MKW Schwandorf wurde erkannt, daß die extrem leichten, isolierenden Beläge im oberen Bereich des 1. Zuges ohne besonderen Impuls von Wassertropfen durchdrungen werden. Die anschließende schlagartige Verdampfung des Tropfens auf den Feuerfestprodukten bzw. den Membranwänden führt zu einer sehr effektiven Reinigung. Im Vergleich zu den oben zitierten Braunkohlekesseln sind die geometrischen Abmessungen in Müllverbrennungskesseln sehr eng. Die Mitarbeiter haben verschiedene Vorrichtungen gebaut, die bei den beengten Verhältnissen im Kessel mehr oder minder zur Reinigung der Kesselwände geeignet waren. Die momentan beste Lösung besteht in einer Vorrichtung aus einem Metallwellrohrschlauch mit einem geeigneten Sprühkopf, der zur Reinigung durch eine Öffnung von der Kesseldecke herabgelassen wird. Eine vorhandene Druckerhöhungspumpe wird zur Wasser-versorgung benutzt. Diese Vorrichtung kann auch zwischen den Schotten genutzt werden, da ein direkter Zugang wegen der Flexibilität des Schlauches nicht notwendig ist. Bei dem Vorgängermodell mußten wegen der beengten Verhältnisse während der Reinigung Rohre neu verschraubt werden. Die verschraubten Rohre konnten im Bereich der Schotten nur bedingt genutzt werden. Die neue Vorrichtung hat zusätzlich den Vorteil, daß zur Reinigung keine Luken geöffnet werden müssen. Die Öffnung wird weitgehend durch den Reinigungsschlauch abgedichtet. Mit dieser Vorrichtung konnte in der Ofenlinie 1 der 1. Zug bei voller Last erfolgreich gereinigt werden. Die Feuerraumtemperatur wurde durch die Reinigung von 780 um ca. 80 C auf 700 C gesenkt. Weitere Versuche im Bereich der Schotten werden bei der OL 1

3 durch die dort bereits installierten Deckenöffnungen durchgeführt. Wir gehen davon aus, daß bei einer konsequenten Reinigung des 1. und 2. Leerzuges der Kessel 1 bis 3 eine manuelle Reinigung der Überhitzer die Ausnahme sein wird. Materialbeanspruchung Der Materialbeanspruchung durch Temperaturschock wird in der TRD ein eigenes Kapitel gewidmet. Bei Großkraftwerken müssen die starkwandigen Sammler sehr schnell aufgewärmt werden. Der bei der Aufheizung auftretende Temperaturgradient belastet die Sammler durch Wärmedehnung zusätzlich auf Druck. Die Aufwärmgeschwindigkeit muß daher bei starkwandigen Sammlern festgelegt werden. Die Berechnungsvorschriften für die zusätzlichen Spannungen beschränken sich normalerweise auf eine Betrachtung der Spannungsverhältnisse an der inneren Strukturoberfläche. Bei dem Reinigungsvorgang wird das Rohrmaterial unterschiedlich stark abgekühlt. Dabei entstehen außen Zugspannungen, die gegen den Druck im Inneren des Rohres wirken. Die Abkühlung hängt vom Wärmeübergang, der Leitfähigkeit des Rohrmaterials und der Wandstärke ab und wird mit der Biot-Zahl beschrieben. Die durch die Abkühlung induzierte Spannung in jeder Ebene ist von den materialspezifischen Daten und der mittleren Temperaturdifferenz zwischen der betrachteten Ebene und der mittleren Temperatur des Materials abhängig. Man kann sich etwas vereinfacht vorstellen, daß ein aufgewickeltes Stahlband bei schneller Abkühlung in den äußeren Lagen zu kurz werden kann. In Abhängigkeit von der Dehnung kommt es zu einer elastischen oder plastischen Verformung der äußeren Lagen. Der TÜV München hat die Spannungen, die bei der Reinigung mit einem Wasserstrahl auftreten, nach TRD untersucht und daraus die maximale Anzahl der Reinigungsvorgänge bis zum Anriß der Oberfläche abgeschätzt. Die Untersuchung hat für die Membranwände und Schotten gezeigt, daß auch unter der Annahme der ungünstigsten Bedingungen eine unbegrenzte Last(anriß)spielzahl möglich ist. Bei den starkwandigen Sammlern unter den Schotten liegt die maximale Lastspielzahl zwischen und 1,6 Millionen. Die Überhitzer können ebenfalls mit Lastspielzahlen zwischen bis über eine Million mit Wasser gereinigt werden. Da die Belastung auf der Außenfläche der Rohre und Sammler auftritt, ist eine Untersuchung, ob sich Schäden durch Wärmespannungen anbahnen, sehr viel einfacher als bei den oft zitierten, von innen instationär beheizten Sammlern. Der TÜV wird in seiner Untersuchung voraussichtlich fordern, daß zunächst eine halbjährliche und danach eine jährliche Untersuchung der durch Temperaturwechsel beanspruchten Bereiche vorzunehmen ist, wobei die Sammler natürlich besonders beachtet werden müssen. Der TÜV weist in seinem Gutachten darauf hin, daß unter den eingesetzten Bedingungen bei den verwendeten Materialien keine Aufhärtung auftritt und damit ein schlagartiges Versagen

4 des Materials durch Aufhärtung unwahrscheinlich ist. Eine Aufhärtung kann sich nur einstellen, wenn von einer Temperatur, bei der das Gefüge - mindestens teilweise - in Austenit (γ-mischkristall) umgewandelt ist, abgekühlt wird (α-γ- Umwandlung). Der Beginn dieser Umwandlung ist gekennzeichnet durch die untere Umwandlungstemperatur. Diese liegt bei St bei 725 C und für 15 MO3 bei 735 C. Diese Temperaturen entsprechen dunkler Rotglut. Da betriebsmäßig die Verdampferrohrwandtemperaturen mit maximal 310 C und die Überhitzerrohrtemperaturen mit maximal 440 C weit unter den oben genannten Temperaturen liegen und somit keine austenitischen Gefügeanteile vorliegen, die sich bei schneller Abkühlung in harten Martensit umwandeln könnten, ist eine Aufhärtung durch das Abschrecken ausgeschlossen. Physikalische Belastung von Alloy 625 Aufschweißungen Da in den Müllkesseln die Membranwände des Müllkraftwerkes Schwandorf mit Alloy 625 gegen Korrosionen geschützt und bisher keine Berechnungsergebnisse zum thermodynamischen Verhalten bekannt geworden sind, wurde das Verhalten einer aufgeschweißten Platte mit der einer St 35.8-Platte verglichen. Bei Rohren sind die Berechnungen komplexer, die Ergebnisse geringfügig anders. Die angegebenen Spannungen bzw. Drücke betreffen nur Wärmespannungen. Die Spannungen durch Dampfdruck und Aufschweißungen sind zusätzlich zu berücksichtigen. Die Tabellen 1 und 2 zeigen die für die Berechnung benutzen Daten. In Tabelle 1 sind die Daten einer Stahlplatte aus St 35.8 von 5,6 mm Stärke aufgelistet. In Tabelle 2 wird eine St Platte beschrieben, die eine 2 mm Aufschweißung (auf 3,6 mm) hat. In den Diagrammen 1a und 1b werden die Temperaturen in Abhängigkeit von der Zeit und der Eindringtiefe für die Platte aus St 35.8 beschrieben. In den entsprechenden Abbildungen 2a und 2b werden die gleichen Zusammenhänge für die aufgeschweißte Platte beschrieben. Die Tabellen 1 und 2 zeigen, daß mit Ausnahme der Aufschweißung alle Parameter beibehalten werden, so daß die berechneten Unterschiede nur auf die unterschiedlichen Werkstoff-eigenschaften zurückzuführen sind. Für den Fall, daß der "MSB-Rasensprenger" eingesetzt wird, ist die Kühlwirkung eines Tropfens weit unter einer Sekunde, so daß der Temperaturabfall entsprechend gering ist. Aus Abbildung 1 erkennt man, daß die Temperatur bei St 35.8 innerhalb der ersten Sekunde um 29 C von 310 auf 281 C abfällt. Innerhalb der ersten Zehntelsekunde fällt die Oberflächentemperatur um 9 C auf 301 C ab. Dies entspricht einer Spannung von 30 N/mm². Die 0,2 %-Dehngrenze bei St 35.8 beträgt bei C 160 N/mm². Die Dehnung beträgt 0,01 % und liegt damit weit unter 0,2 %. Nach 0,2 Sekunden fällt die Oberflächentemperatur auf der heißen Seite der Platte auf 297 C. Die Spannung in der Oberfläche steigt zunächst steil und danach nur noch gering an. Nach 5 Sekunden hat sie ihren Endwert von ca. 49 N/mm² in der Oberfläche erreicht.

5 Aus Abbildung 2 erkennt man, daß die Oberflächentemperatur bei Alloy 625 innerhalb der ersten Sekunde um 44 C von 310 auf 266 C abfällt. Innerhalb der ersten zehntel Sekunde fällt die Oberflächentemperatur um 16 C auf 294 C ab. Dies entspricht einer Spannung von 55 N/mm². Die 0,2 %-Dehngrenze bei Alloy 625 beträgt ca. 270 N/mm². Die Oberfläche wird dabei nur um 0,02 % gedehnt. Nach 0,2 Sekunden fällt die Oberflächentemperatur auf der heißen Seite der Platte auf 288 C. Die stärkste Wärmespannung in der Alloy 625 Oberfläche tritt bei den Berechnungsbedingungen nach ca. 2 Sekunden mit einer Spannung von 115 N/mm² auf. Daten für Alloy 625 und Stahl 625 Stahl Summe Stärke mm 0,0 5,6 5,6 Temperaturleitfähigkeit a m²/s 3,54E-06 4,60E+02 spez. Wärme cp J/kg K 4,60E+02 4,60E+02 Leitfähigkeit λ W/m K 13,76 51 Dichte ρ kg/m³ Alpha außen α W/m² K halbe Plattendicke X m 0 0,0056 Zeitintervall sec 0,0001 Wegintervall mm 0,1 Biot Zahl - 0,000 0, Wärmeeinddringzahl b 7310, ,59 t Wand 0 C 310 t wand OO C 100 E-Modul N/mm² 1,92E+05 1,95E+05 1,95E+05 Ausdehnungskoeffizient - 1,33E-05 1,46E-05 1,46E-05 Faktor 4,02E+00 Siedewasser C / W/m² K Tab. 1: Daten für die Berechnung der Temperaturen, Spannungen und Dehnungen einer 5,6 mm starken, beheizten St Platte bei einer sprunghaften Änderung der Medientemperatur (Temperatursprung) von 310 auf 100 C an der Oberfläche. Daten für Alloy 625 und Stahl 625 Stahl Summe Stärke mm 2,0 3,6 5,6 Temperaturleitfähigkeit a m²/s 3,54E-06 4,60E+02 spez. Wärme cp J/kg K 4,60E+02 4,60E+02 Leitfähigkeit λ W/m K 13,76 51 Dichte ρ kg/m³ Alpha außen α W/m² K halbe Plattendicke X m 0,0015 0,0056 Zeitintervall sec 0,0001 Wegintervall mm 0,1 Biot Zahl - 0,218 0, Wärmeeinddringzahl b 7310, ,59 t Wand 0 C 310 t wand OO C 100 E-Modul N/mm² 1,92E+05 1,95E+05 1,94E+05 Ausdehnungskoeffizient - 1,33E-05 1,46E-05 1,41E-05 Faktor 3,88E+00 Siedewasser C / W/m² K Tab. 2: Daten für die Berechnung der Temperaturen, Spannungen und Dehnungen einer 5,6 mm starken, beheizten, 2 mm Alloy 625 aufgeschweißten St 35.8 Platte bei einer sprunghaften Änderung der Medientemperatur (Temperatursprung) von 310 auf 100 C an der Oberfläche.

6 Temperaturen und Oberflächenspannungen bei Temperatursprung Temperatur [ C Spannung [N/mm 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5-20 0,0 mm 1,0 mm 2,1 mm 4,0 mm 0 mm N/mm² 2,1 mm N/mm Abb. 1a: Temperaturen und Spannungen in einer 5,6 mm starken, beheizten St 35.8 bei einer sprunghaften Änderung der Medientemperatur (Temperatursprung) von 310 auf 100 C an der Oberfläche. Temperaturen und Dehnung bei Temperatursprung 0,040 0,035 0,030 Temperatur [ C 0,025 0,020 0,015 0,010 0,005 0,000-0,005 Dehnung [%] 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5-0,010 0,0 mm 1,0 mm 2,1 mm 0 mm Dehnung % 2,1 mm Dehnung % Abb. 1b: Temperaturen und Dehnungen in einer 5,6 mm starken, beheizten St 35.8 bei einer sprunghaften Änderung der Medientemperatur (Temperatursprung) von 310 auf 100 C an der Oberfläche.

7 Temperaturen und Oberflächenspannungen bei Temperatursprung Temperatur [ C Spannung [N/mm 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5-20 0,0 mm 1,0 mm 3,0 mm 4,0 mm 0 mm N/mm² 2,1 mm N/m Abb. 2a: Temperaturen und Spannungen in einer beheizten 3,6 mm starken St 35.8 Stahlplatte, mit 2 mm Alloy 625 Beschichtung bei einer sprunghaften Änderung der Medientemperatur (Temperatursprung) von 310 auf 100 C an der Oberfläche. Temperaturen und Dehnung bei Temperatursprung 0,040 0,035 0,030 Temperatur [ C 0,025 0,020 0,015 0,010 0,005 0,000-0,005 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5-0,010 0,0 mm 1,0 mm 3,0 mm 0 mm Dehnung % 2,1 mm Dehnun Abb. 2b: Temperaturen und Dehnungen in einer beheizten 3,6 mm starken St 35.8 Stahlplatte, mit 2 mm Alloy 625 Beschichtung bei einer sprunghaften Änderung der Medientemperatur (Temperatursprung) von 310 auf 100 C an der Oberfläche.

8 Oberflächentemperaturen und Spannungen bei Temperatursprung für St 35.8 und Alloy Temperatur [ C] Spannung [N/mm²] C St35.8 C Alloy 625 % St35.8 % Alloy 626 Abb. 3: Temperaturen und Spannungen in einer beheizten 3,6 mm starken St 35.8 Stahlplatte mit 2 mm Alloy 625 Beschichtung und einer 5,6 mm St 35.8 Stahlplatte bei einer sprunghaften Änderung der Medientemperatur (Temperatursprung) von 310 auf 100 C an der Oberfläche. 0 Die grafische Gegenüberstellung zeigt in Abb. 3, daß die für Nickellegierungen typisch geringe Wärmeleitfähigkeit zu einer vergleichsweise schnellen Abkühlung an der Oberfläche führte. Ein schnelles Abkühlen des drucktragenden St 35.8 Rohres wird verhindert. Bei Einsatz von Alloy 625 kommt es zu keiner Beanspruchung der Oberfläche des St 35.8 auf Spannung durch die Abkühlung. Vielmehr wird durch die stärkere Schrumpfung der Aufschweißung der Grundwerkstoff auf der Oberfläche nur auf Druck von außen beansprucht (Abb. 2a und b)! Die Dehnung im Alloy 625-Material ist jedoch mit Werten weit unter 1 % weit unter der Bruchdehnung, die bei ca. 20 % liegt. Die bereits getestete Reinigung der Strahlungszüge der Kessel des Müllkraftwerkes Schwandorf kann ohne unzulässige Beanspruchungen des Materials durchgeführt werden.