Ausgabe - VGB PowerTech Journal 8/2015

Auslegung, Errichtung und Betrieb der Hochtemperatur-Werkstoff-Teststrecke II (HWT II) im Grosskraftwerk Mannheim

Klaus Metzger, Rolf Stork, Karl Maile und Jörg Bareiß

Die Erforschung, Qualifizierung und Weiterentwicklung neuer Prozesse für schadstoffarme hocheffiziente Kraftwerke ist verbunden mit der Anhebung der Betriebsparameter. Ziel einer anwendungsorientierten werkstofftechnischen Forschung muss es daher sein, Werkstoffe und Bauteile für diese Anforderungen bereitzustellen. Zur Untersuchung der möglichen technischen Umsetzung einer hocheffizienten, flexiblen und modernen Kraftwerkstechnologie wurde im Grosskraftwerk Mannheim (GKM) ein Feldversuch mit einer 725-°C-Teststrecke durchgeführt. Die Testanlage mit dem Akronym: HWT II (Hochtemperatur-Werkstoff-Teststrecke II) wurde in den Kessel 17 des Kraftwerkblockes 6 im GKM eingebaut. Eingesetzt wurden bislang im Kraftwerkssektor noch nicht in diesem Umfang angewandte Nickellegierungen.

Konstruktion, Herstellung und Betrieb von Armaturen in der 725-°C-HWT-II-Teststrecke

Oliver Birkle, Peter Linier, Gregor Gierschner, Franz Hansknecht, Manfred Wirsum, Hailu Tadesse, Mario Hamberger, Christopher Lange, Dierk von Nordheim und Olaf Tebbenhoff

Höhere Dampftemperaturen und steigende Lastwechselzahlen haben unmittelbar Einfluss auf die Auslegung und Konstruktion von Armaturen für Kraftwerke. Die HWT-II-Teststrecke bietet die einzige Möglichkeit weltweit, die zuverlässige Funktion von Absperr- und Regelarmaturen bei 725 °C Einsatztemperatur und zyklischem Betrieb nachzuweisen. Über eine Betriebszeit von mehr als 8.000 h wurden 2.600 Zyklen zwischen 725 °C und 400 °C gefahren. Die Einsatzgrenzen der Armaturen bei diesen höchsten mechanischen und temperaturinduzierten Belastungen sollten umgrenzt werden.

Herstellung und Verarbeitung der Nickel­legierungen für die Hochtemperatur-Werk­stoff-Teststrecke II (HWT II) im Grosskraftwerk Mannheim GKM

Nicole de Boer, Karola Klenke, Bernhard Donth, Vida Knezevic, Jürgen Paal, Patrik Schraven und Fred Grimm

Im Rahmen des Forschungsvorhabens HWT II wurden dickwandige Komponenten aus den Nickelwerkstoffen Alloy 617B und Alloy C-263 für einen Feldversuch in der Teststrecke HWT II im Grosskraftwerk Mannheim GKM gefertigt und getestet. Im vorliegenden Gemeinschaftsbeitrag aller Materialhersteller wird die erfolgreiche Herstellung und Verarbeitung der Nickellegierungen für die jeweiligen Komponenten der HWT-II-Teststrecke im GKM zusammenfassend beschrieben: Erschmelzung und Umschmelzen, Schmieden der Vormaterialien und Schmiedeteile/Stäbe, Warmstrangpressen und Kaltpilgern von Kesselrohren, Fertigung der dickwandigen Rohre durch Strangpressen sowie Schweißzusätze für das Verbindungsschweißen der Nickellegierungen.

Begleitende Prüfungen im Rahmen der Planung, Errichtung, Inbetriebnahme und Betrieb der Hochtemperatur-Werkstoff-Teststrecke II (HWT II) im Grosskraftwerk Mannheim

Hans Christian Schröder, Claas Lehmkuhl, Jörg Schenkel und Helmut Nies

Mit dem Forschungsprojekt wurde der erfolgreiche Nachweis erbracht, dass eine Rohrleitung aus dem Werkstoff Alloy 617 mod./Alloy C263 mit hohen Betriebstemperaturen oberhalb von 700 °C als integraler Bestandteil in einer Kraftwerksanlage einem täglichen An- und Abfahrbetrieb mit zusätzlich erzwungenen Lastwechselzyklen ausgesetzt werden kann und funktioniert. Befunde, die bei den planmäßig durchgeführten wiederkehrenden Prüfungen wie z.B. an diversen Komponenten gefunden wurden, haben den eigentlichen Ablauf des Projektes nicht beeinträchtigt. Diese Befunde ergeben nun weitere Möglichkeiten an „Erkenntnisgewinn“ und können für weitere Untersuchungen herangezogen werden. Weiterhin ergeben sich hieraus notwendige Hinweise zur Designoptimierung dickwandiger Bauteile, insbesondere Armaturen und Regeleinrichtungen.

Hochtemperatur-Werkstoff-Teststrecke II (HWT II) – Begleitende experimentelle und numerische Untersuchungen an Werkstoffen und Komponenten

D. Hüggenberg, M. Speicher, A. Klenk, S. Zickler, M. Schwienheer, Y. Wang, P. Schmitt, H. Oesterlin, G. Maier, B. Niewe

Zur Entwicklung eines tieferen Verständnisses der in der Werkstoffteststrecke HWT II eingesetzten Werkstoffe Alloy 617B und Alloy C263 und deren Schweißverbindungen, die als dickwandige Rohre von den Projektpartnern bereitgestellt wurden, wurden begleitende Untersuchungen durchgeführt. Diese umfassten die Bestimmung und Auswertung von Werkstoffeigenschaften mithilfe von Werkstoffprüfungen und Mikrostrukturuntersuchungen. Zur Basisqualifizierung der Werkstoffe und zur Qualifikation der Komponentenherstellung wurde ein umfangreiches experimentelles Untersuchungsprogramm sowie Tests zur Gewährleistung der Qualität von Werkstoffen, Schweißverbindungen und Reparaturschweißungen durchgeführt. Für die Design-Optimierung wurden Werkstoffbeschreibungen für Verformung und Schädigung in Form von Stoffgesetzen und Schädigungsparametern entwickelt und numerische Simulationen zur Ermittlung von Beanspruchungen und Lebensdauer durchgeführt. Die ermittelten Werkstoffeigenschaften wurden zur Anpassung von Stoffgesetzen für Verformung und Lebensdauer herangezogen.
Mit den begleitenden Untersuchungen konnte die grundsätzliche Eignung der Werkstoffe für den Temperaturbereich bis 725°C nachgewiesen werden. Gegenüber herkömmlichen Werkstoffen wie martensitischen Stählen weisen die untersuchten Nickellegierungen deutlich abweichende Eigenschaften auf.

Auswirkungen der neuen flexibleren Netz­anforderungen auf die zukünftige Betriebs­beanspruchung der Turbogeneratoren

Stephan Wittner, Ana Joswig, Thorsten Krol und Jürgen R. Weidner

Durch die Integration der erneuerbaren Energien (Wind und Photovoltaik) mit Einspeisungsvorrang in das elektrische Hochspannungsnetz ändert sich das Lastregime im Europäischen Verbundnetz grundlegend. Die neuen Netzanforderungen für den Generatorbetrieb ENTSO-E NC RfG verlangen für die Versorgungssicherheit und Netzstabilität eine wesentlich höhere Flexibilität des Generatorbetriebes. Für Leistungen über 75 MW können der Spannungs-Frequenz-Bereich sowie der Blindleistungs-Frequenz-Bereich ausgeweitet und die Leistungsgradienten erhöht werden. Die Auswirkungen dieser neuen flexibleren Netzanforderungen auf die laufenden und die neu zu bauenden Generatoren werden in diesem Beitrag aufgezeigt.

KWK–Ausbaustrategie in NRW – Eine Blaupause für andere Regionen

Dominik Holzapfel und Sabine Schneider

Mit dem Ziel den Anteil der KWK an der Stromerzeugung auf 25 % bis in das Jahr 2020 zu steigern, hat das Land Nordrhein-Westfalen im Jahr 2013 ein umfassendes Impulsprogramm zur Förderung der Kraft-Wärme-Kopplung aufgelegt. Die von der EnergieAgentur.NRW ausgeführte Kampagne „KWK.NRW – Strom trifft Wärme“ begleitet dieses Impulsprogramm. Die Kampagne zielt vor allem darauf ab, den Wissensstand zum Thema KWK zu erhöhen, die KWK-Aktivitäten aller Beteiligten zu synchronisieren sowie Projekte zu initiieren. Mit dem Initialprojekt „roadmap | KWK.NRW“ des „Virtuellen Instituts | KWK.NRW“ soll einen Handlungsleitfaden für den Einsatz und die Optimierung von KWK-Systemen in NRW erarbeitet werden.

Lebensdauer-Diagnose vorgeschädigter Naturzugkühltürme

Ulrich Eckstein, Daniel Jun, Winfried B. Krätzig, Ralf Wörman und Peter Blömeke

Naturzugkühltürme von Höhen um die 100 m und darüber haben in Europa heute Lebensdauern von bis zu 50 Jahren erreicht. Wenn für ihre zugehörigen thermomechanischen Kraftwerkskomponenten Maßnahmen zur Lebensdauerverlängerung oder zur Umnutzung geplant werden, stellen sich i.A. auch Fragen zur weiteren Lebensdauer der Kühltürme. Die benötigten Sicherheitsaussagen erfordern ein Lebensdauer-Diagnosekonzept. Schädigungsphänomene bei Kühltürmen werden erläutert. Die Einflüsse auf die Konzepte zur Abschätzung von Lebensdauern beschrieben. Drei Beispiele erläutern abschließend die Vorgehensweise bei der Anwendung eines solchen Diagnosekonzeptes.

Der Nasselektrofilter als Erweiterung der REA-Technologie

Martin Mikl, Harald Reissner und Christian Weiß

Um zukünftigen Forderungen bezüglich Staub­ und Aerosolabscheidung in Rauchgasen gerecht werden zu können, wurde eine Versuchsanlage konzipiert, die eine integrierte Kombination bestehend aus REA-Sprühturm und Nasselektrofilter umfasst. Die Integration des Nasselektrofilters in das REA-Sprühturmkonzept sollte her vor ragende Abscheidegrade sowohl für Staub - als auch für Säurenebel ermöglichen, welche die des alleinigen REA-Sprühturms bei Weitem über treffen. Im Rahmen des 16-monatigen Versuchsbetriebs konnten sowohl die Erreichung der angestrebten Abscheidegrade als auch die Betriebstauglichkeit hinsichtlich Verfügbarkeit und Verschmutzung des Nasselektrofilters gezeigt werden.

Untersuchung zu Begrenzung von Queck­silberspitzen in Müllverbrennungsanlagen

Martin Mineur und Hartwig Söth

Quecksilber ist in Hausmüll und hausmüllähnlichem Gewerbeabfall in Spuren enthalten und wird im Normalfall in den Müllverbrennungsanlagen sicher abgeschieden. Manchmal werden mit dem Müll auch Chargen angeliefert, die einen deutlich zu hohen Quecksilbergehalt aufweisen, ohne dass dies deklariert ist. In solchen Fällen kann die Rauchgasreinigungsanlage kurzzeitig überfordert werden. Es wurde daher nach Wegen gesucht, um in solchen Situationen die Abscheideleistung zu erhöhen. Von zentraler Bedeutung ist eine möglichst frühe Erkennung eines massiven Quecksilbereintrags. In der Müllverwertung Borsigstraße in Hamburg wurde eine kontinuierlich arbeitende Quecksilbermessung direkt hinter dem Kessel installiert. Durch den Einsatz von Aktivkohle kann die Abscheideleistung des Gewebefilters angehoben werden und der HCl-Wäscher stellt eine hochwirksame Senke dar.

Optimierung des Redoxpotentials bei Ist-Temperaturen in einem Wechsellast-Kraft­werk – Ursache und Wirkung

Shauna Concannon, Geoff Darlow, Charles A. Campbell und Ben Durrant

Im GuD-Kraftwerk Coolkeeragh ESB in Londonderry, Nordirland wurde die Kreislaufchemie systematisch untersucht, um mögliche Faktoren zu identifizieren, die strömungsinduzierte Korrosion beeinflussen. Bereits ein Jahr nach Inbetriebnahme traten erste Probleme im Zusammenhang mit Magnetit-Ablagerungen auf und bis 2009 verdichteten sich Hinweise auf strömungsinduzierte Korrosion. Eine Untersuchung wurde eingeleitet, um Auswirkungen der Kreislaufchemie auf die Abschwächung der Einphasen- als auch der Zweiphasen-Erosionskorrosion zu ermitteln. Mit der Studie sollte zunächst eine Bewertung durchgeführt und anschließend sollten die Bedingungen optimiert werden, um Erosionskorrosion zu vermindern und die Probleme im Zusammenhang mit Partikeleintrag in den Abhitzekessel zu erkennen.