Erfahrungen bei der Planung von Gas-turbinen (GT)-Anlagen mit nachgeschaltetenAbhitzedampferzeugern (AHDE) in bezug aufderen Regelwerkskonformität

H. Chr. Schröder, H. Engesser, G. Scheffknecht und H. Stierstorfer

Kraftwerks- und Anlagenservice des TÜV SÜD

SONDERDRUCK VGB KraftwerksTechnik79. Jahrgang, Heft 4/99, Seite 46-52

Mehr Sicherheit.Mehr Wert.

LeistungenKraftwerks- und Anlagenservice

Kraftwerks- und Anlagenservice des TÜV SÜD

Einleitung

In diesem Beitrag sollen die Probleme aufge-zeigt werden, die sich bei der praktischenUmsetzung der anzuwendenden Regelwerkeinsbesondere bei Kombi-Anlagen, das heißtGasturbinenanlagen mit nachgeschaltetenAHDE (Abhitzedampferzeuger), ergeben inden Bereichen:

— Belüften und Spülen der Rauchgaswege,

— Flammenüberwachung,

— Sicherheitszeit.

Die Entscheidung zum Bau einer Kombi-An-lage erfolgt aus verschiedenen Gesichtspunk-ten, wie z.B. Verringerung des CO2-Aus-stoßes, hohe Anlagenwirkungsgrade, schnel-le Anfahrzeiten, hohe betriebliche Flexibil-lität, kurze Bau- und Investitionskostensowie Repowering von Altanlagen.

Je nach Brennstoff werden in Deutschlanddie entsprechenden TRD (Technische RegelnDampfkessel) der Reihe 400 angewendet.Die bei den üblichen Gasturbinenbrennstof-fen Gas bzw. Heizöl EL anzuwendende TRD412 bzw. 411 fordert ein Spülen der Rauch-gaswege mit mindestens 50 % des Verbren-nungsluftstromes bei Vollast über eine Zeit-

spanne, die einen dreifachen Luftwechsel imzu spülenden Rauchgasvolumen ergibt.

Aufgrund der drehzahlabhängigen Volumen-ströme des Gasturbinenverdichters, welchedurch die Anfahrleistung der Startvorrich-tung sowie Schaufelschwingungen begrenztsind, lassen sich diese Forderungen nicht im-mer erfüllen.

In der Gasturbine GT24/GT26 der ABB er-folgt die Verbrennung in sequentieller Folge:1. Brennkammer mit Hochdruckturbine, ge-folgt von der 2. Brennkammer mit Nieder-druckturbine. Bei der Flammenüberwachungder 2. Brennkammer einer Gasturbine (se-quentielle Verbrennung) ist die Eintrittstem-peratur die inhärent bestimmende Größe der Verbrennung. Somit bietet sich für die 2. Brennkammer die Überwachung der Tem-peratur anstelle des verlangten optischenFlammenwächters an, da optische Flammen-wächter in diesem Temperaturbereich dieFlamme nicht sicher erkennen lassen.B i l d 1 zeigt den Aufbau der ersten undzweiten Brennkammer einer ABB-Gas-turbine moderner Bauart.

Moderne Gasturbinen mit Ringbrennkam-mern haben durch den Füllvorgang in denBrennstoffleitungen sowie die Querzündungder Brenner einen erhöhten Zeitbedarf biszum sicheren Brennen der Flamme. Die ge-forderte Sicherheitszeit gemäß TRD zwi-schen dem Öffnen der Abschlußorgane(Schnellschlußeinrichtungen) und der Akti-vierung des optischen Flammenwächterskann dabei nicht eingehalten werden.

Somit ergeben sich bei Anwendung der TRDFragen hinsichtlich Spülung1 der Rauchgas-wege, Flammenüberwachung und Sicher-heitszeiten. Im folgenden zeigen die AutorenLösungsmöglichkeiten auf, wie diese The-men sicher abgehandelt werden können imSinne einer hohen Verfahrenssicherheit,

gleichzeitiger Einhaltung der gewünschtenhohen Verfügbarkeit der Gasturbinenanlagenund Erfüllung der sicherheitstechnischen Er-fordernisse gemäß Regelwerk mit den normalvorhandenen Ausrüstungsanlagenkomponen-ten ohne zusätzlichen Frischlüfter.

Spülen von Kombi-Anlagen

Forde rungen de r Rege lwe rke an d i e Spü lung de r Abgaswege von Kombi -An lagen

Die Vorgehensweise bei der Spülung vonAHDE innerhalb von Kombi-Anlagen mitund ohne Bypass-Kamin kann unterschied-lich sein. Die erforderliche Spülung resultiertim wesentlichen aus der Forderung der ein-zelnen TRD, wie z.B. 411 für Öl- und 412 für Gasbrennstoffe.

Aus England und den USA sind zwei weitereVorschriften bzw. Richtlinien bekannt. Essind dieses die NFPA (National Fire Protec-tion Association) 8506 aus den USA und dieRichtlinie der British Gas (Guidance Noteson the Installation of Industrial Turbines, As-sociated Gas Compressors and Supplemen-tary Firing Burners).

In Amerika haben die Unterschiede bei Be-trieb und Bauart von Abhitzedampferzeugernund konventionellen Dampferzeugern zu ge-trennten Normen für AHDE geführt (NFPA8606). Die NFPA-Vorschrift in der aktuellenRevision fordert einen mindestens fünffachenVolumenaustausch der Gasturbine bei min-destens 8 % des maximalen Massendurchsat-zes. Es werden auch alternative Möglichkei-ten zum Nachweis einer ausreichenden Spü-lung des AHDE angeboten.

Ve r f ah rens t echn i s che Anfo r -de rungen an d i e Spü lung von Kombi -An lagen

Während des Spülvorganges ist die maximaleTemperatur des Spülmediums durch die theo-retische Zündtemperatur des eingesetztenBrennstoffes begrenzt. Die Zündtemperaturvon gebräuchlichem Erdgas liegt in derGrößenordnung von etwa 600 °C. Kohlegasals Mischung von Wasserstoff und Kohlen-

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Erfahrungen bei der Planung vonGasturbinen-(GT-)Anlagen mit nach-geschalteten Abhitzedampferzeugern(AHDE) in bezug auf deren Regel-werkskonformitätVon H.Chr. Schröder, H. Engesser, G. Scheffknecht und H. Stierstorfer

Dipl.-Ing. H.Chr. Schröder

TÜV Süddeutschland,Mannheim.

Dipl.-Ing. H. Engesser

ABB Power Generation Ltd.,Baden/Schweiz.

Dr.-Ing. G. Scheffknecht

Alstom Energy Systems GmbH, Stuttgart.

Dipl.-Ing. H. Stierstorfer

Siemens AG, Bereich Energieerzeu-gung (KWU), Erlangen.

––––––1 In diesem Beitrag wurde für den Vorgang der

Belüftung/Vorbelüftung, wie dieses in denTRD genannt wird, der Begriff des „Spülens“(aus dem englischen „purge“) verwendet.Unseres Erachtens ist dieses hierdurch tref-fender und deutlicher interpretiert.

monoxid hat ebenfalls eine Zündtemperaturim Bereich von rund 550 °C. Flüssige Brenn-stoffe, wie z.B. leichtes Heizöl (HEL) oderNaphtha, liegen bei etwa 220 °C.

Um einen relativen Sicherheitsabstand zurtheoretischen Zündtemperatur zu haben, sollte die maximale Spültemperatur einen Sicherheitsabstand zu den genannten Tempe-raturen von rund 20 % aufweisen, d. h. fürGas etwa 100 und für Öl etwa 40 °C.

Das bedeutet in der Praxis, daß bei erdgasbe-feuerten Gasturbinen eine Spülung mit demAbgasstrom möglich ist, falls die Abgas-temperatur ausreichend von der jeweiligenZündtemperatur des eingesetzten Brennstof-fes entfernt bleibt unter Berücksichtigungvon eventuell auftretenden Temperatur-schieflagen und Temperaturspitzen. Es ist al-lerdings zu beachten, daß Erdgas als Mi-schungsbestandteile oft auch längerkettigeKohlenwasserstoffe, wie Propan, Butan usw.,enthält. Deren Zündtemperatur liegt niedrigerals 600 °C. Um daraus resultierende Unsi-cherheiten im Hinblick auf die Belüftungs-temperatur auch im Zusammenhang mitTemperaturspitzen und -schieflagen auszu-

schließen, wird empfohlen, nicht mit einerAbgastemperatur über 400 °C zu spülen.

Anders sieht es bei der Verwendung vonflüssigen Brennstoffen aus. Hier ist eine Spü-lung der nachgeschalteten Anlagen mit demAbgasstrom der Gasturbine nicht ohne weite-res möglich, weil die Abgastemperatur derGasturbine höher liegt als die Zündtempera-tur des flüssigen Brennstoffes. Bei eventuellvorhandenen unverbrannten flüssigen Brenn-stoffanteilen im AHDE wären Verpuffungennicht auszuschließen.

Des weiteren ist zu erwähnen, daß in den ent-sprechenden TRD weder ein Bezug auf dieLufttemperatur genommen noch ausgesagtwird, ob es sich bei den Spülmengen umMassen- oder Volumenströme handelt.

Die Spülung der Gasturbine selbst ist in derPraxis kein relevantes Problem, weil die Gas-turbine stets vor jedem Feuerungsstart – un-abhängig davon, aus welchem Betriebszu-stand die Feuerung abgefahren wurde –zwangsläufig gespült wird. Eine Diskussioneiner erneuten Zündung nach einem Störbe-trieb bzw. Abfahrbetrieb ergibt sich somitnicht.

Anders sieht es in den nachgeschalteten An-lagenteilen aus. Der von der Gasturbine aus-gespülte Volumenstrom befindet sich nun-mehr im nachgeschalteten Rauchgassystemund dem AHDE. Aufgrund der geringen Vo-lumenströme der Gasturbine im unterenDrehzahlbereich beim Drehen des Verdich-ters mit dem Generator (Drehbetrieb) kanneine Spülmenge von > 50 %, bezogen auf densich bei der Verbrennung ergebenden Ge-samtrauchgasstrom im AHDE, nicht reali-siert werden. Real erzielbare Spülmengen in-nerhalb dieser Betriebszustände liegen bei10 bis 15 % des maximalen Verdichterluft-Massenstromes, was für ein sicheres Spülengemäß Abschnitt „Nachweis des Spülergeb-nisses“ ausreichend ist.

Ausführung von Spülvorgängen bei Kombi-Anlagen

Notwend igke i t de r Spü lung von Kombi -An lagen

Die Notwendigkeit zur Spülung eines AHDEkann sich in folgenden Fällen ergeben:

— vor der Inbetriebnahme,

— nach erfolglosem Zündversuch (z.B. Flam-menwächter hat nicht übernommen),

— nach Startabbruch der Gasturbine nach dem Zündvorgang,

— nach Schutz-Aus aus Lastbetrieb.

Der erste Fall ist in den TRD entsprechendgeregelt. Die TRD erlaubt ausdrücklich beifehlersicherer Überwachung der Brennstoff-zufuhr, auf ein Spülen der Rauchgaswege beider Inbetriebnahme zu verzichten.

Während die nächsten beiden Fälle zwingendein Spülen der Abgaswege erfordern, bedarfder Schutz-Aus aus Lastbetrieb und auch dasreguläre Abfahren einer näheren Erläuterung.

Beim regulärem Abfahren der Gasturbine – d.h. Überführen aus dem Last- in den Leer-

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Temperatur > 1000 °C

sequentieller Brenner

sequentielle Brennkammer

Hauptbrenner

Hauptbrennkammer

HochdruckturbineNiederdruckturbine

Bild 1. Flammenüberwachung.

m = 80

25 s

0,0

50 s75 s

100 s125 s

150 s

kgs

gCH4

kg

Bild 2. CH4-Konzentration.

m = 40 m = 160

50 s 12,5 s

0,0

150 s 37,5 s250 s 62,5 s

kgs

kgs

gCH4

kg

Bild 3. CH4-Konzentration für halbierten bzw. verdoppeltenSprühmassenstrom in bezug auf Bild 2.

laufbetrieb und anschließendes Schließen derBrennstoffzufuhr – wird das Rauchgassystemdurch den Abgasvolumenstrom der auslau-fenden Gasturbine ausreichend gespült. Beidiesem Betriebszustand liegt somit, wennüberhaupt, nur ein mageres Brennstoff-Luft-Gemisch vor, das nicht zündfähig ist. Zusätz-lich begünstigend ist, daß bei diesem Abfahr-vorgang der Gasturbine kein Brennstoff un-verbrannt in den AHDE gelangen kann, weilbei kleiner Leistung zuerst die Brennstoff-Schnellschlußventile geschlossen werden.Hierdurch wird dann die noch vorhandeneFlamme aufgrund des Brennstoffmangels er-löschen.

Auch beim Schließen der Schnellschlußven-tile im Lastbetrieb kann davon ausgegangenwerden, daß die noch in den Zuführungslei-tungen zu den Brennern vorhandenen Brenn-stoffmengen verbrannt werden und die Flam-me durch Brennstoffmangel erlischt. Um einverbleibendes Restrisiko zu vermeiden, emp-fiehlt sich hier ein Spülen des AHDE nachAusfall der Gasturbine aus einem Lastbetriebmittels Anfahrumrichter in Anlehnung anTRD 411 und 412 (Abfahren aus einemSchutz-Aus ist gleichbedeutend mit einemunplanmäßigen Betrieb).

Von Fall zu Fall ist zu untersuchen, ob durchden während des Auslaufens der Gasturbinegeförderten Volumenstrom eine ausreichendeSpülung erzielt wird.

Bei einem Wiederanfahren der Anlage kön-nen z.B. bei einem Heißstart der Anlage imAHDE Temperaturen oberhalb der Zündtem-peraturen der gebräuchlichen Flüssigbrenn-stoffe liegen. Eine Spülung und die sich dar-aus ergebende Abkühlung des AHDE ist da-her unter anderem durchzuführen, um die kri-tische Zündtemperatur abzusenken.

Werden Gasturbinenanlagen ausschließlichmit Erdgas betrieben, kann nach Absprachemit den Beteiligten (Kunde, Behörde, TÜV,Lieferer) auf ein separates Spülen verzichtetwerden, wenn nachgewiesen wird, daß derAHDE beim Hochfahren der Gasturbine aus-reichend gespült wird, solange die maxima-len Abgastemperaturen einen ausreichendenAbstand zu den zugehörigen Zündtemperatu-ren aufweisen.

Weitere Zündquellen, wie Funkenbildung in-nerhalb der Gasturbine durch mechanischesStreifen in der Anfahrphase an den heißenMetalloberflächen sowie eventuell statischeAufladungen, sind als weitere Gefahrenquel-len in die Betrachtung einzubeziehen bzw.müssen entsprechend betrachtet werden inbezug auf die zugehörigen Zündtemperaturender eingesetzten Brennstoffe.

Spü l en von An lagen ohne Bypas s -Kamin und ohne Zusa t z f eue rung

Bei Kombi-Anlagen ohne Bypass-Kaminmuß die Gasturbine stets über den AHDE an-

und abgefahren werden. Der vorhandene Ab-gasvolumenstrom, der bei einem normalenStartvorgang durch den AHDE strömt, reichtim allgemeinen nicht für einen ausreichendenLuftwechsel des rauchgasseitigen AHDE-Volumens aus, wie dieses in den entspre-chenden TRD gefordert wird.

Aus diesem Grunde muß der AHDE vor demStart der Gasturbine mit Hilfe des Anfahr-umrichters der Gasturbine ausreichend langegespült werden, da keine andere technischeMöglichkeit vorliegt. Der Gasturbinenver-dichter wird abhängig vom Volumen desAHDE über mehrere Minuten (5 bis 10 min)mit 20 bis 30 % der Nenndrehzahl und „Leit-schaufeln in Anfahrstellung“ gedreht, wo-durch ein mehrfacher (etwa 3- bis 5facher inAbhängigkeit von den Regelwerksanforde-rungen) Luftvolumenwechsel des AHDEsichergestellt wird.

Diese Spüldrehzahl muß für ein Belüften beikonstanter Drehzahl im Minutenbereicheinen genügenden Abstand zur kritischenSchaufelschwingung des Verdichters haben.

In diesem Drehzahlbereich werden etwa 10 bis 15 % des maximalen Verdichterluft-Massenstromes in Abhängigkeit von derBauart und des Herstellertyps erreicht. Mes-sungen an ausgeführten AHDE zeigen, daßein Spülmassenstrom in diesem Bereich nichtausreicht, um Kesselbauteile beim Spülenvor einem Warm- oder Heißstart merklichabzukühlen. Mit hohen thermischen Span-nungen in dickwandigen Bauteilen beimSpülen eines heißen AHDE ist damit nicht zurechnen.

Spü l en von An lagen mi t Bypas s -Kamin und ohne Zusa t z f eue rung

Spülvorgang bei gasförmigen Brennstoffen

Der Belüftungsvorgang bei Anlagen mit By-pass-Kamin und gasförmigen Brennstoffenerfolgt im Normalfall mit Hilfe der Um-schaltarmaturen. Die Gasturbine wird überden Bypass-Kamin gestartet, wodurchzwangsläufig der Bypass-Kamin durch diestartende Gasturbine ausreichend belüftetwird, da das Volumen des Diffusors und desKaminunterteils einschließlich der Kamin-röhre relativ klein im Verhältnis zum Abgas-massenstrom der startenden Gasturbine ist.

Sobald beim Hochfahren der Gasturbine etwa350 bis 400 °C Abgastemperatur erreichtwerden, wird die Last der Gasturbine kon-stant gehalten und die Umschaltarmatur voll-ständig in Richtung AHDE geöffnet, um denDampferzeuger mit der geringstmöglichenAbgastemperatur und einem maximal mögli-chen Volumenstrom zu belüften. An-schließend erfolgt die weitere Laststeigerungder Gasturbine im Verbund mit dem AHDE.

Sollte aus Betriebsgründen die Gasturbine imSingle-Cycle betrieben werden, muß sie auf

eine Teillast mit einer Abgastemperatur vonetwa 350 bis 400 °C heruntergefahren wer-den, wenn der Dampfteil des AHDE zuge-schaltet werden soll. Durch diese Maßnahmewerden Verpuffungen im Bereich des AHDEvermieden. Außerdem ergibt sich daraus einschonenderes Anfahren.

Die erforderliche Spülzeit ist wegen der ho-hen Rauchgasgeschwindigkeit mit großemLuftstrom wesentlich kleiner (< 1 min) alsbei Anlagen ohne Bypass-Kamin und Belüf-tung mit einem Anfahrumrichter (etwa 5 bis10 min).

Diese Anfahrweise kann jedoch nicht beiallen Gasturbinen vorgesehen werden. Er-reicht die minimale Abgastemperatur im Be-trieb Werte im Bereich der Zündgrenze deseingesetzten Brennstoffes, ist ein Spülen desAHDE nicht mit der oben genannten Metho-de zulässig. In diesem Fall ist der AHDE nurmit Hilfe des Anfahrumrichters zu spülen.

Spülvorgang bei flüssigen Brennstoffen

Bei Feuerungen der Gasturbine mit flüssigenBrennstoffen, deren Zündtemperatur im all-gemeinen unterhalb von 350 °C liegt, ist esnotwendig, den AHDE unter Berücksichti-gung einzelner Betriebszustände (Störfall-abschaltung) mit geringerer Lufttemperaturzu spülen. In diesem Fall muß der AHDE mitvoll geöffneter Diverterklappe mit Hilfeeines Anfahrumrichters wie bei einer Kombi-Anlage ohne Bypass-Kamin gespült werden.

Spü lung von Kombi -An lagen mi t Zusa t z f eue rung

Bei diesen Anlagen muß auch die Möglich-keit berücksichtigt werden, daß durch die zu-sätzlich vorhandene Feuerung Brennstoff di-rekt in den AHDE gelangen kann. Außerdemist zu berücksichtigen, ob diese Anlagen miteinem zusätzlichen Frischlüfter ausgerüstetsind.

Spülvorgang bei zusatzbefeuertem AHDEohne zusätzlichen Frischlüfter

Diese Kombi-Anlagen müssen nach TRD411 und 412 immer gespült werden, da derenBetriebsverhältnisse vergleichbar mit kon-ventionellen Dampferzeugeranlagen sind.

Mit Erdgas befeuerte Anlagen können mitdem Abgasstrom gespült werden, ölbefeuerteAnlagen werden mit dem Anfahrumrichtergespült, wie dieses schon vorher beschriebenwurde.

Um durch die erforderlichen Spülungsmaß-nahmen die Verfügbarkeit der Kombi-Anlagenicht zu beeinträchtigen, empfiehlt sichgemäß TRD 411 und 412, auch den AHDEdahingehend auszurüsten, daß bei nicht inBetrieb befindlichem AHDE ein unkontrol-lierter Brennstoffeintrag fehlersicher ausge-schlossen wird und somit auf ein Spülen nachunplanmäßigem Abstellen der Feuerung ver-

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zichtet werden kann. Bei Schnellschluß nacheinem Störfall ist allerdings in jedem Fall einSpülen vor einem Neustart erforderlich.

Spülvorgang bei zusatzbefeuertem AHDEmit zusätzlichem Frischlüfter

AHDE-Anlagen mit zusätzlichem Frischlüf-ter stellen kein Problem dar, da diese ausrei-chend gemäß der TRD 411und 412 mit demFrischlüfter gespült werden – können unab-hängig davon, ob diese Anlagen mit einemBypass-Kamin ausgerüstet sind oder nicht.

Nachwe i s de s Spü l e rgebn i s s e s

Numerische Berechnung des Spülvorganges

Anhand der ausgeführten Kombi-Anlage imRheinhafen-Dampfkraftwerk in Karlsruhedes Badenwerks AG wurden Strömungsbe-rechnungen des Belüftungsvorganges durch-geführt. Es handelt sich hier um einen AHDEder vertikalen Bauweise.

Es wurde ein Kaltstart mit vorangegangenemfehlgeschlagenem Zündversuch unterstellt.Die dabei möglichen Gaskonzentrationen imAbhitzeteil der Anlage ergeben sich aus derGegenüberstellung der innerhalb der Sicher-heitszeit austretenden Gasmengen mit der in-nerhalb dieser Zeit geförderten Luftmenge.Der Einfachheit halber wurde davon ausge-gangen, daß im gesamten Abhitzeteil, d.h.Gasturbinen-Abströmkanal, Abhitzedampf-erzeuger und Kamin zum Zeitpunkt desBelüftungsbeginns eine maximal möglicheGaskonzentration vorliegt.

Die für verschiedene Zeitpunkte in B i l d 2dargestellten Gaskonzentrationen geben Auf-schluß über die Güte des Spülvorganges. DerBelüftungsmassenstrom der Gasturbine be-trägt 80 kg/s, woraus sich bei gefordertem 3fachem Volumenaustausch eine Belüftungs-zeit von etwas über fünf Minuten ergibt. Diesentspricht 15 % der Abgasmenge bei Nenn-last der Gasturbine.

Die Berechnungen ergaben, daß das Luft-Gas-Gemisch von der eintretenden Spülluft-menge sehr gleichmäßig und nur mit unwe-

sentlicher Rückvermischung verdrängt bzw.ausgespült wird. Lediglich im Bereich desDampferzeugeroberteils bzw. im späterenVerlauf auch in der Kaminröhre ergeben sichgeometrisch bedingte Unsymmetrien, wo-durch zwar die Zeit bis zum vollständigenAusspülen des Luft-Gas-Gemisches gering-fügig verlängert, jedoch das Spülergebnisnicht beeinträchtigt wird.

Es zeigt sich, daß sich bereits durch eineneinfachen Volumenaustausch die Gaskonzen-tration am Kaminaustritt ungefähr halbiert.Nach einer Spüldauer von 150 s, was einen1,4fachen Volumenaustausch bedeutet, istdie Gaskonzentration im gesamten Abgas-weg praktisch auf Null abgesunken.

In B i l d 3 sind außerdem die Ergebnisse für einen halbierten bzw. verdoppelten Spül-massenstrom dargestellt. Die entsprechendenSpülzeiten verdoppeln bzw. halbieren sichdadurch entsprechend. Die Güte des Spül-ergebnisses ändert sich dabei nur unwesent-lich.

Auffallend ist, daß bei halbiertem Spülmas-senstrom geringere radiale Konzentrations-gradienten in der Kaminröhre auftreten. Die-ses ist deutlich erkennbar durch den Ver-gleich der Konzentrationen nach 150 s Spü-lung mit 40 kg/s gegenüber einer Spüldauervon 37,5 s mit 160 kg/s. Daraus kann ge-schlossen werden, daß durch eine Erhöhungder Spülgas- bzw. Spülluftmenge zumindestkeine Verbesserung des Spülergebnisses er-zielt wird.

Untersuchung des Spülvorganges im Strömungsmodell

Es wurde an einem rauchgefüllten verkleiner-ten Plexiglasmodell einer vorhandenenAHDE-Anlage maßstabgerecht erstellt undStrömungsversuche mit verschiedenen Spül-mengen durchgeführt. Es handelt sich hierum einen horizontalen AHDE. Untersuchtwurde dabei das Spülen des Eintrittstraktes in den Dampferzeuger sowie des Dampf-erzeugers selbst.

Die Auswertung der Video-Aufzeichnungzeigt, daß die Effizienz der Spülung unter-halb von 10 % des Verbrennungsluft-Men-genstromes stark abnimmt und oberhalb von15 % nur unwesentlich verbessert werdenkann, B i l d 4 . Strömungsleitbleche könnendabei die Effizienz der Spülung nachhaltigverbessern. Im übrigen zeigt eine Erhöhungder Spülgeschwindigkeit in gewissen Berei-chen starke stehende Wirbel mit entspre-chend schlechter Spülwirkung.

Spülmengen im Bereich von 10 % sind fürein sicheres Spülen des Dampferzeugers aus-reichend, was durch die praktische Erfahrungbestätigt wird.

Betrachtung der vorgegebenenSicherheitszeiten nach

den Regelwerksanforderungen

Gene re l l e Be t r ach tung

Die Sicherheitszeit ist festgelegt als die Zeitvom Eintritt des Brennstoffes in die Brenn-kammer bis zur Aktivierung der Flammen-überwachung. Somit bestimmt diese Sicher-heitszeit die maximale Brennstoffmenge,welche bei Fehlzündung in die Brennkammergelangen kann. Die Begrenzung der Sicher-heitszeit ist so festgelegt, daß sich in der Gas-turbine kein explosives Gemisch bilden kann,wobei die Strömungsgeschwindigkeit derLuft in der Gasturbine eine entsprechendeVerdünnung sicherstellt.

Gelangt dieses Gemisch jedoch in den Abhit-zekessel mit wesentlich tieferen Strömungs-geschwindigkeiten, stellt sich die Frage nachdem Kumulieren von Gasanteilen und derBildung eines explosiven Gemisches im Kes-sel. Damit ist aus Sicht der Autoren ein Kes-selspülen nach Störbetrieb bzw. Zündver-sagen erforderlich.

Im folgenden wird primär auf die Problema-tik der Sicherheitszeit der Gasturbine einge-gangen: Der Startpunkt der Sicherheitszeitwird als Eintritt des Brennstoffs in die Brenn-

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1 2 3 4 5 6

15

10

5

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Spüldauer in min

Bild 4a. Effizienz der Spülung (purge) des Dampferzeuger-Plexiglas-modells.

0 s

0 s

0 s

20 s

30 s

60 s

30 s

60 s

290 sSimulated

5 %Mass Flow

Simulated10 %

Mass Flow

Simulated15 %

Mass Flow

Startdes Spülens

Wirbelim Einlauf

Rauchgasresteim HRSG

Bild 4b. Purge-Test-Ergebnisse des Dampferzeuger-Plexiglas-modells.

kammer definiert. Da dieser Zeitpunkt mitkeinem Prozeßkriterium exakt bestimmt wer-den kann, ist das Einhalten der Sicherheits-zeit vom entsprechenden Ersatzkriteriumabhängig, sinnvollerweise das Öffnen desSchnellschlußventils.

S i che rhe i t s ze i t en be i b i she r i gen Gas tu rb inen

Bei älteren Gasturbinen mit Silo-Brennkam-mer und Einzelbrenner sind Brennstoffregel-und Schnellschlußventile relativ nahe amBrenner angeordnet, B i l d 5 . Hierdurch hatsich das Öffnen des Schnellschlußventils auf-grund der „Nähe zum Brenner“ als sinnvollesErsatzkriterium für den Eintritt des Brenn-stoffs in die Brennkammer angeboten. DasSchnellschlußventil gilt als sicheres Absperr-organ, und die Leitung bis zum Brenner ist sokurz, daß die entsprechenden Zündbedingun-gen in Menge und Druck sehr schnell erreichtwerden können.

Zur Optimierung des Zündvorganges werdenerst die Regelventile auf Zündhub gefahrenund dann die Schnellschlußventile geöffnet.Eine Zündung ist in 2 bis 3 s möglich, so daßdie in den TRD geforderten Zündsicherheits-zeiten für Öl und Gas eingehalten werdenkönnen.

Die Brennerleistung wird in der Zündphasedurch die Regelung begrenzt und durch denSchutz überwacht. Damit wird sichergestellt,daß bei Fehlfunktionen des Regelventils einSchnellschluß eingeleitet wird, bevor sicheine größere Menge explosives Gemisch bil-den und somit in die Brennkammer gelangenkann.

S i che rhe i t s ze i t en be i heu t i gen Gas tu rb inen

Moderne Gasturbinen mit Ringbrennkam-mern haben ein relativ aufwendiges Brenn-stoffverteilsystem mit dadurch sich erge-benden langen Ringleitungen zwischen den Schnellschlußventilen und Brennern,B i ld 6 .

Zur Füllung der Leitungen verstreichen dabei2 bis 5 s, bevor der Brennstoff in die Brenn-

kammmer gelangt. Es zeigt sich, daß für GasSicherheitszeiten von 5 s trotzdem annäherndeingehalten werden können. Analog zu bis-herigen Gasturbinen leitet eine Zündhub-überwachung des Regelventils bei Fehlstel-lung den Schnellschluß ein.

Bei Ölbetrieb muß das Regelventil zur Mini-mierung der Füllzeit kurzzeitig komplettgeöffnet werden. Zudem verhindern Sektor-ventile auf der Brennkammer ein vorzeitigesEintreten von Brennstoff in die Brennkam-mer.

Hierdurch ergibt sich folgende Füll- undZündsequenz:

— Öffnen der Schnellschlußventile,

— Öffnen der Regelventile, bis die Ringlei-tung voll ist,

— Zurückfahren auf Zündhub,

— Öffnen der Sektorventile.

Das limitierte Eintreten von Brennstoff beiFehlstellung des Regelventils ist mit einerentsprechend aufwendigen Zündhubüberwa-chung sichergestellt. Mit dieser Maßnahmekann die Sicherheitszeit ab dem Öffnen derSektorventile auf 5 s gebracht werden. DerStartpunkt der Sicherheitszeit ist durch dasÖffnen der Sektorventile anstelle derSchnellschlußventile festgelegt, was demeigentlichen Eintreten des Brennstoffs in die Brennkammer entspricht.

S i che rhe i t s ze i t en be i Zündb renne rn

Für Zündbrenner gilt mit der entsprechendenZündgasmenge eine Sicherheitszeit von 10 s.Diese Sicherheitszeit wird nicht durch einenFlammenmonitor überwacht, sondern indi-rekt durch die Prozeßlogik.

Die Zündeinrichtung wird zeitlich vor derHauptflamme gestartet, und zwar so, daß derEndpunkt der Sicherheitszeit der Zündflam-me mit dem Endpunkt der Sicherheitszeit derHauptflamme zusammenfällt. Damit wirdüber die Überwachung der Hauptflammeauch die Zündflamme indirekt überwacht.

Betrachtung der Möglichkeit von Flammenüberwachungen

bei Gasturbinenanlagen in bezug auf Regelwerksanforderungen

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, dieFeuerung innerhalb einer Anlage zu über-wachen. Im einzelnen sind dieses

— Flammenwächter: Zielsetzung ist dieÜberwachung des Flammenansatzes,

— Lambda-Überwachung: globale Zuord-nung Brennstoff- und Luftverhältnis,

— CO-Überwachung: gibt Aufschluß überden Ausbrand,

— Temperaturüberwachung.

Im Regelfall ergeben sich bei konventionel-len Dampferzeugern keine Probleme in derAusführung der Flammenüberwachungsein-richtungen, da diese in den entsprechendenTRD 411 bis 415 entsprechend erwähnt wer-den und spezifisch auf die jeweiligen Anla-gentypen eingehen. Für Gasturbinenanlagengelten im wesentlichen die Forderungen derTRD 411 und 412 für die Brennstoffe Gasund Heizöl.

Gemäß TRD 411 und 412 ist das Abreißender Flamme durch den Einbau von entspre-chenden optischen Flammenwächtern zuüberwachen. Des weiteren ist es möglich,eine Feuerraumüberwachung vorzunehmen,wenn ein Querzünden durch vorhandene, inBetrieb befindliche Brenner gewährleistet ist.Dieses bringt den Vorteil, daß die Anzahl derFlammenüberwachungsgeräte somit entspre-chend reduziert werden kann.

Bei einigen modernen Gasturbinenanlagen(wie z.B. ABB GT 24/GT 26) wird die se-quentielle Verbrennung zur Steigerung desWirkungsgrades eingesetzt (Bild 1). InB i l d 7 ist anhand eines T/S-Diagrammsdieser Prozeß dargestellt und zeigt, daß dieEintrittstemperatur in die sequentielle Brenn-kammer bedeutend höher ist als bei konven-tionellen Brennkammern. Die Überwachungder ersten Brennkammer erfolgt konventio-

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Schnell-schluß

Gas

Öl

Schnell-schluß

Regel-ventil

Regel-ventil

Bild 5. Anordnung von Schnellschluß- und Regelventilen für dieBrennstoffleitung an Gasturbinen mit Silo-Brennkammer.

Schnell-schluß

Regel-ventil

HauptbrennerSektorventile

Ringleitung

Bild 6. Anordnung von Regel-Schnellschluß- und Sektorenventilen fürdie Brennstoffleitungen an Gasturbinen mit Ringbrennkammer.

nell nach den Vorgaben der vorstehend ge-nannten TRD und unterscheidet sich somitnicht in der Funktionalität zu herkömmlichenBrennkammern.

Bei der sequentiellen Brennkammer ist dieEintrittstemperatur das Kriterium, welcheseine Verbrennung inhärent sicherstellt. Daherbietet sich hier die vorhandene Temperaturals Überwachungskriterium sinnvollerweisean. In der NFPA 8506 für Dampferzeugerwird diese Überwachungsmöglichkeit unter-stützt und erlaubt somit den Ersatz der Flam-menwächter durch eine Temperaturüberwa-chung oberhalb von Temperaturen 760 °C.

Diese Ausnahme basiert auf der Tatsache,daß ein Brennstoff-Luft-Gemisch oberhalbeiner bestimmten Temperatur selbst zündet.

B i l d 8 zeigt die Selbstzündung mit Angabedes Zündverzuges in Abhängigkeit der Tem-peratur für verschiedene Brennstoffe.

Die Voraussetzung für diese Selbstzündungist auch das Vorliegen entsprechender Sauer-stoffkonzentrationen. Der Gasturbinenprozeßstellt dieses sicher, und die Verbrennung inder sequentiellen Brennkammer erfolgt eben-so mit entsprechendem Luftüberschuß. DieFlammenüberwachung der sequentiellenBrennkammer erfolgt durch die Überwa-chung der Eintrittstemperatur in diese.

Bei Unterschreitung der Eintrittstemperaturvon 900 °C (ausreichender Abstand zurNFPA-Forderung oberhalb von 760 °C) wer-den die Schnellschlußventile für die Brenn-stoffzufuhr in diese Brennkammer automa-

tisch geschlossen. Der Weiterbetrieb der er-sten Brennkammer wird hierdurch nicht be-einflußt, sofern dort keine Störung vorliegtund somit auch dort durch sicherheitstechni-sche Funktionen die Feuerung abgeschaltetwird.

Dieser Schutz arbeitet unabhängig von derRegelung, welche primär die Temperatur inder sequentiellen Brennkammer bestimmt.Hierdurch wird sichergestellt, daß nach derGasturbine keine Verbrennung bzw. Verpuf-fung möglich ist. Denn wenn brennbare Be-standteile in der Brennkammer im oben ge-nannten Temperaturbereich nicht verbrennen,werden diese auch nach der Gasturbine beitieferen Temperaturen nicht verbrennen bzw.ein zündfähiges Gemisch bilden.

Zu betrachten ist hierbei jedoch ein eventuellauftretender Störfall: Wenn in der sequentiel-len Brennkammer der Gaseinspeisedrucksinkt, kann die Flamme ohne Ansprechen derTemperaturüberwachung löschen und heißeBrenngase von der Brennkammer rückwärtsin das Gaseinspeisesystem gelangen. Durcheine Überwachung der Druckdifferenz desRegelventils wird diesem Rechnung getragenund ergibt somit keine Probleme.

Zusammenfassung

In diesem Beitrag wurde aufgezeigt, welcheProblemstellungen sich bei der praktischen

8 VGB KraftwerksTechnik 4/99

Bild 8. Selbstzündungstemperatur mit Angabe des Zündverzuges fürverschiedene Brennstoffe.

~ 1000 °C

sequentielle Brenner

Hauptbrenner

Verdichter

HD-Turbine

ND-Turbine

T

S

Bild 7. Prinzip des Prozesses der sequen-tiellen Verbrennung anhand eines T/S-Diagramms.

Tafel 1. Vergleichende Gegenüberstellung jeweiliger Anforderungen an Spülung, Flammenüberwachung und Sicherheitszeiten verschiedener anzuwendender Regelwerke.

Regelwerk ErgebnisseTRD 411/412 NFPA 8506 British Gas G.I. Modellversuch Bereich Klärungsbedarf Erläuterungen

Spülen von Kombi- > 50 % mindestens fünf- 5facher Austausch Es ergibt sich Bei etwa 15 % TRD ist nicht Ergebnisse desAnlagen mit vorgege- Verbrennungsluft- facher Volumen- bei Temperatur bei rund 10 % Spülmassen- direkt anwendbar Modells, Berech-bener Spülmenge auf strom über eine austausch der < 400 °C Spülmassen- strom liegt für Kombi- nung und dieBasis der TRD + Zeitspanne, die Gasturbine bei strom ein aus- nach etwa Anlagen, und Angaben derNFPA 8506 einen 3fachen mindestens 8 % reichender 1,4fachem Aus- daher sind ent- NFPA, Zusam-

Luftwechsel er- des maximalen Spüleffekt tausch kein sprechende menführung alsmöglicht ohne Massendurch- zündfähiges Empfehlungen AnwendungsfallTemperatur- satzes. Es werden Gasgemisch zu erarbeiten für Kombi-angabe auch alternative mehr vor. Das Anlagen

Möglichkeiten gilt ebenso 10 % Spül-zum Nachweis bei halbiertem massenstromeiner ausreichen- und verdop- und 3facherden Spülung peltem Spül- Luftwechselangeboten. massenstrom

Flammenüber- optische Flammenwächter optische – – Abgleich der Temperaturüber-wachung Flammenwächter oder Temperatur- Flammenwächter – Anforderung wachung in Er-

überwachung – Aussage gänzung zumbzgl. der Feue- Flammenwächterrungsgüte

Sicherheitszeit TRD 411/412 Zündsicherheits- Zündsicherheits- – – Sicherheitszeit z.B. 12 s;Tafel 1 zeit für: zeit so kurz wie ab Öffnen der diese Zeit ergibt

Hauptflamme 5 s möglich SSV bis Über- sich z.B. aus 8 sZündflamme 10 s nahme des Vorlaufzeit und

Flammen- zusätzlichen 4 swächters als Übernahmezeitgesamte Sicher- Flammenwächterheitszeit definiert

400 600 800 1000

10

1

0,1

Dieselöl

MethaneErdgas

Zün

dve

rzög

erun

gin

ms

Mischtemperatur in °C

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Umsetzung von Gasturbinenanlagen mitnachgeschalteten Abhitzedampferzeugern inbezug auf die anzuwendenden Regelwerkeergeben können.

Aufgrund der anzuwendenden Regelwerkeergeben sich jedoch während der Projekt-abwickungsphase Diskussionen bei denThemen

— Belüften und Spülen der Rauchgaswege,

— Flammenüberwachung,

— Sicherheitszeiten

hinsichtlich deren praktikabler Anwendung.

Im Anfahrbetrieb vor dem Zünden läßt sichmit der Gasturbine die Forderung der TRD411 und 412 hinsichtlich eines dreifachenLuftwechsels mit mindestens 50 % Verbren-nungsluftstrom nicht erfüllen.

Ähnlich sieht es bei der Flammenüberwa-chung der nachgeschalteten 2. Brennkammer(sequentielle Verbrennung) aus, wo sich derEinsatz von optischen Flammen-Überwa-chungseinrichtungen als problematisch er-weist, und drittens ergeben sich Diskussionenbei den gemäß TRD vorgegebenen Sicher-heitszeiten, insbesondere bei ölbefeuertenGasturbinen, die sich nicht einhalten lassen.

Dieses ist unter anderem darin begründet,daß bei den neuen Gasturbinen die Brenn-stoffzuführungssysteme relativ lange Zulei-tungen aufweisen.

Anhand der aufgeführten Problemstellungenwurden in diesem Beitrag Lösungsmöglich-keiten aufgezeigt, wie ein sicherer Betriebbei gleichzeitiger Einhaltung der hohen Ver-fügbarkeit technisch möglich ist. Des weite-ren wurden in diesem Beitrag alle techni-schen Abläufe und Diskussionspunkte detail-liert und ausführlich beschrieben, damit sicheine Grundlage für weiterführende Diskus-sionen ergeben kann, die dann in die entspre-chenden Regelwerke aufgenommen werdensollten.

In T a f e l 1 sind die von den Autoren vor-geschlagenen Lösungsmöglichkeiten aufge-führt, wobei eine Gegenüberstellung dieser inbezug zu den vorhandenen RegelwerkenTRD, NFPA, Britische Norm und der vorste-hend dargestellten Ergebnisse erfolgte.

Im Ausland bestehen andere Regularien (z.B.NFPA 8506), deren Erfahrungen durchausdiskutiert werden und erforderlichenfalls imTRD-Regelwerk Berücksichtigung findensollten.

Literatur

[1] Technische Regeln für Dampfkessel. TRD411 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 cominitionsystem for the ABB GT 24/GT 26 Gas turbinefamiliy.

[5] British Gas: Guidance notes on the installa-tion industrial turbines, associated gas com-pressors and supplementary firing burners(06/89).

[6] Weber, K.: Inbetriebnahme verfahrenstechni-scher Anlagen. VDI-Verlag (1996).

[7] Fachkunde für den Dampfkraftwerksbetrieb.VGB-Kraftwerkstechnik GmbH (1976).

[8] Bernecker, G.: Planung und Bau verfahrens-technischer Anlagen. VDI-Verlag (1984).

[9] Nabert, K., und Schön, G.: Sicherheitstech-nische Kennzahlen brennbarer Gase undDämpfe. 2. Auflage, Deutscher Eichverlag,Braunschweig (1991).

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 betriebsbedingteÄnderungen am Beispiel eines Speisewasserbehälters

Beanspruchungsverlauf und Vorbeugemaßnahmen

Verlauf der Beanspruchung durch Alterung und Ermüdung

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