Regelleistungsverschleiˇmodell fur prim ar- und …Mainz-Wiesbaden 515 465 130 Tabelle 1: J...
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Kurzbericht zum Forschungsvorhaben
Regelleistungsverschleißmodell fur primar- undsekundargeregelte thermische Kraftwerke imENTSO-E-Netz
Bearbeitungszeitraum:
01.08.2012 bis 31.01.2015
Bearbeiter:
Universitat RostockDipl.-Phys. Maria RichterM.Sc. Andre BerndtM.Sc. Patrick MutschlerDipl.-Ing. Moritz HubelDr.-Ing. Jurgen NockeProf. Dr.-Ing. Harald WeberProf. Dr.-Ing. habil. Dr. h.c. Egon HasselProf. Dr.-Ing. habil. Manuela Sander
AlstomM.Sc. Sebastian BeckDr.-Ing. Klaus Helbig
Rostock, 14. September 2015
III
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung 1
2 Kraftwerksmodelle 1
2.1 Modellbildung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
2.2 Validierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
3 Eingangsgroßen 3
3.1 Fahrplan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
3.2 Primarregelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
3.3 Sekundarregelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
4 Lebensdauerberechnung 5
4.1 Schadensmechanismen und betrachtete Bauteile . . . . . . . . . . . . . . . . 5
4.2 Ermudung der Komponenten des Wasser-Dampf-Kreislaufs (außer Turbosatz) 6
4.3 Ermudung der Dampfturbinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
5 Einfluss der Primarregelung 8
5.1 Komponenten des Wasser-Dampf-Kreislaufs (außer Turbosatz) . . . . . . . . 8
5.2 Dampfturbinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
5.3 Beanspruchung von Regelventilen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
5.4 Vergleich unterschiedlicher Primarregelprinzipien . . . . . . . . . . . . . . . . 11
6 Einfluss der Sekundarregelung 12
6.1 Komponenten des Wasser-Dampf-Kreislaufs (außer Turbosatz) . . . . . . . . 12
6.2 Dampfturbinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
7 Zusammenfassung 14
Abkurzungsverzeichnis
Lehrstuhl fur Elektrische EnergieversorgungLehrstuhl fur Technische Thermodynamik
Lehrstuhl fur Strukturmechanik
IV
Abkurzung Bedeutung
2D/ 3D zwei-/ dreidimensional
Abb. Abbildung
DT Dampfturbine
E Ermudung
ECO Economizer
FEM Finite-Elemente-Methode
GuD Gas und Dampf
Abkurzung Bedeutung
HD Hochdruck
HDV Hochdruckvorwarmer
HS Heißstart
KW Kraftwerk
LW Lastwechsel
MD Mitteldruck
ND Niederdruck
NDV Niederdruckvorwarmer
PR Primarregelung
Sref Referenzschadenssumme
Samm, S Sammler
SD Shut Down / Abfahren
SpWStutz Speisewasserstutzen
SR Sekundarregelung
Trom Trommel
UH, UEH Uberhitzer
Vert, V Verteiler
vgl. vergleiche
WS Warmstart
z.B. zum Beispiel
ZUH, ZUEH Zwischenuberhitzer
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Lehrstuhl fur Strukturmechanik
1
1 Einleitung
Zur Umsetzung internationaler Klima-
schutzvereinbarungen wird im Rahmen des
deutschen Erneuerbare Energien Gesetzes
(EEG) der Ausbau einer regenerativen
Stromerzeugung geregelt. So sind die
Netzbetreiber zum Anschluss und zur
Abnahme von Strom aus erneuerbaren
Energien verpflichtet. Weiterhin sind fes-
te Vergutungssatze gesetzlich verankert.
Diese Forderung regenerativ erzeugten
Stroms stellt neue Anforderungen an die
konventionellen thermischen Kraftwer-
ke. Die Einspeisungen aus Photovoltaik-
und Windkraftanlagen weisen witterungs-
bedingt große tageszeitliche aber auch
saisonale Fluktuationen auf. Um die ak-
tuelle Verbraucherlast dennoch zu decken,
muss die Differenzleistung zwischen Last
und intermittierender Einspeisung durch
regelfahige Kraftwerke erbracht werden. Im
Zuge der Liberalisierung des Strommarktes
ist damit die Flexibilitat eines Kraftwerks
von großer wirtschaftlicher Bedeutung.
Bei der Lieferung der Regelleistung fuhren
die betroffenen Kraftwerke dynamische
Vorgange aus, welche sich durch alle tech-
nischen Komponenten ziehen. Dabei treten
Temperatur- und Druckschwankungen in
den dampffuhrenden Bauteilen auf. Dieses
kann zu einer reduzierten Lebensdauer
einzelner Komponenten fuhren.
Ziel dieses Projektes ist, die Auswirkungen
der zu erbringenden Regelleistung auf
die Lebensdauer der betroffenen Bauteile
der Kraftwerksanlagen zu ermitteln. Die
Fahrweise eines Kraftwerkes wird durch
drei sich uberlagernden Eingangsgroßen
bestimmt:
• Leistungsanforderung aus Fahrplan
• Primarregelanforderung aus Netzfre-
quenzschwankungen
• Sekundarregelleistungsanforderung
vom Ubertragungsnetzbetreiber.
Diese Daten werden analysiert, um re-
prasentative Szenarien zu entwickeln, wel-
che den instationaren, physikalischen Kraft-
werksmodellen als Eingangsgroße ubergeben
werden. Mit diesen Simulationsmodellen ist
es moglich, fur alle modellierten Komponen-
ten vergleichbare Druck- und Temperatur-
verlaufe zu ermitteln und eine strukturme-
chanische Bewertung vorzunehmen.
2 Kraftwerksmodelle
Die Kraftwerksmodelle wurden anhand
folgender Referenzkraftwerke zur Validie-
rung entwickelt: das Steinkohlenkraftwerk
Rostock, ein Block des Braunkohlen-
kraftwerks Janschwalde und das Gas-
und Dampf (GuD)- Kraftwerk Mainz-
Wiesbaden. Als Entwicklungsumgebung
wird die Software Dymola verwendet.
2.1 Modellbildung
Bei der Modellbildung fur die Kraftwerks-
modelle wird zwischen der thermodynami-
schen und regelungstechnischen Vorgehens-
weise unterschieden.
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2
Die thermodynamische Modellbildung fur
die Komponenten des Kraftwerkes findet
auf Grundlage der Bilanz-, Transport-
und Zustandsgleichungen statt. Der Raum
wird in kleine, miteinander verknupfte
Kontrollvolumina unterteilt, fur welche die
korrespondierenden Bilanzgleichungen fur
Masse, Impuls und Energie gelost werden.
Die Warmeubertragung wird gemaß den
physikalischen Transportgleichungen fur
Warmeleitung, Warmestrahlung und Kon-
vektion modelliert. Die Berechnung von
Warmeubergangskoeffizienten, Emissions-
und Absorptionsgraden erfolgt u.a. auf
Grundlage von [3]. Gleiches gilt fur die
Beschreibung von Druckverlusten.
Zur Berechnung der Zustandsgroßen von
Wasser bzw. Wasserdampf werden die
Zustandsgleichungen gemaß dem Tech-
nischen Bericht IF97 [2] herangezogen.
In den verwendeten Medienbibliotheken
finden sich außerdem die notigen Stoffdaten
und Materialkennwerte fur Frischluft und
Rauchgas sowie der weitverbreiteten Stahle.
Fur die Modellbildung der Leittechnik wird
in enger Zusammenarbeit mit den Kraft-
werksbetreibern ein Modell der realen Leit-
technik mit Hilfe von Regelplanen erstellt.
Dieses Vorgehen ist fur eine hohe Gute
der Simulationsmodelle unablassig. Weiter-
hin ist durch dieses Vorgehen eine simula-
tionstechnische Optimierung von Reglerpa-
rametern fur einen optimierten Betrieb des
realen Kraftwerks moglich.
2.2 Validierung
Die Validierung ist ein Prozess zur Si-
cherstellung der Realitatsnahe des Modells.
Hierbei werden Messdaten aus dem Kraft-
werk mit Simulationsdaten verglichen.
Nachfolgend sind ausgewahlte Abbildungen
der Validierung vom Steinkohlenkraftwerk
aufgefuhrt. Wie zu erkennen, stimmen
460
500
540M
WSollwert Leistung
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4
450
500
550
t / h
MW
Generatorleistung
Abbildung 1: Validierung der Generatorleistung fureine Sekundarregelleistungsanforderung im Kraft-werk Rostock
die simulierten (durchgezogenen) mit den
gemessenen (gestrichelten) Zeitreihen sehr
gut uberein. Im Abschlussbericht zum For-
schungsvorhaben ist die Validierung fur alle
drei Kraftwerke detailliert aufgefuhrt.
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3
460
500
540M
WSollwert Leistung
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4
500
550
600
t / h
◦ C
TFD
T nach ZUH
Abbildung 2: Validierung der Dampfaustrittstempe-raturen des Kessels fur eine Sekundarregelleistungs-anforderung im Kraftwerk Rostock
460
500
540
MW
Sollwert Leistung
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4
40
45
50
t / h
kg/
s
Kohleverbrauch
Abbildung 3: Validierung des Kohleverbrauchs fureine Sekundarregelleistungsanforderung im Kraft-werk Rostock
3 Eingangsgroßen
3.1 Fahrplan
Die sich aus den Einsatzplanen ergeben-
den Fahrplanwechsel fur die Referenzkraft-
werke Rostock, Janschwalde und Mainz-
Wiesbaden wurden anhand ihrer Große in
Klassen zusammengefasst. Es wurde be-
stimmt, wie haufig ein Lastwechsel (positive
und negative) einer bestimmten Klasse pro
Jahr auftritt. Diese Haufigkeiten sind in der
Tabelle 1 fur das Jahr 2011 zusammenge-
fasst.
LastwechselKraftwerk 15 % 25 %
Janschwalde 229 6
15 % 30 % 40 %Rostock 267 75 75
Mainz-Wiesbaden 515 465 130
Tabelle 1: Jahrliche Haufigkeiten der Lastwechsels-zenarien fur die untersuchten Kraftwerke. Angabein % der Nennleistung
3.2 Primarregelung
Um den Einfluss der Primarregelung auf die
Kraftwerkskomponenten zu untersuchen,
wurde eine umfangreiche Frequenzanalyse
erstellt. Im Histogramm in Abbildung 4
sind die Abweichungen vom Frequenzsoll-
wert 50 Hz dargestellt. Durch die Reduktion
des Lastrauschens durch Mittelung wird
der Zusammenhang von großer Netzfre-
quenzabweichung und vollen Zeitstunden
ersichtlich (Abb. 5).
Aus den gemessenen Frequenzsignalen
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4
−0,2 −0,1 0 0,1 0,20
20
40
60
Frequenzabweichung in Hz
Dau
erin
Tag
en
Abbildung 4: Histogramm der auftretenden Netz-frequenzenabweichungen im Jahr 2011 bei einer Ab-tastzeit von einer Sekunde
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24
49,95
50,00
50,05
Uhrzeit
Fre
qu
enz
inH
z
Abbildung 5: Gemitteltes Frequenzsignal des Jahres2011
um die volle Zeitstunde wurden acht
charakteristische Frequenzverlaufe ermit-
telt (Abb. 6). Diese werden den Lastwech-
seln uberlagert und hochgerechnet um das
vollstandige Jahr abbilden zu konnen.
Abbildung 7 zeigt das Auftreten von Last-
wechseln zu den vollen Zeitstunden fur ver-
schiedene Tageszeiten. Wie zu erkennen, tre-
ten zu den Abendstunden zwischen 20 Uhr
und 4 Uhr gehauft negative Lastwechsel auf.
Dies korreliert sowohl mit den Frequenzein-
bruchen im gemittelten Netzfrequenzsignal
50 60 70
49,90
50,00
50,10
t / min
f/
Hz
Klasse 1Klasse 2Klasse 3Klasse 4Klasse 5Klasse 6Klasse 7Klasse 8
Abbildung 6: Frequenzseitige Stundelwechselszena-rien
des Jahres 2011 (Abb. 5) als auch mit den
ermittelten Netzfrequenzverlaufen der Am-
plitudenklassen 1 (Netzfrequenzeinbruch)
bis 8 (Uberschwingen der Netzfrequenz (vgl.
Abb. 8)). Gleiches gilt fur die Morgenstun-
den von 4 Uhr bis 12 Uhr, wobei uber-
wiegend positive Lastwechsel auftreten und
dementsprechend eine Netzfrequenzuberho-
hung auftritt.
20-4 Uhr 4-12 Uhr 12-4 Uhr0
50
100
150 pos./neg. LW 0-15% PN——–
pos./neg. LW 0-15% PN——–
pos./neg. LW 0-15% PN——–
pos./neg. LW 0-15% PN
pos./neg. LW 15-30% PN
pos./neg. LW 30-40% PN
Tageszeit
Anza
hl
pro
Jah
r
Abbildung 7: Zeitliches Auftreten von Lastplan-wechseln fur das Kraftwerk Rostock
3.3 Sekundarregelung
Fur die Sekundarregelung wurden fur jedes
Kraftwerk aktuelle Messreihen ausgewertet.
Die Sekundarregelszenarien ergeben sich aus
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5
1 2 3 4 5 6 7 80
500
1000
1500
Amplitudenklasse
Hau
figke
it20
1120-4Uhr
4-12Uhr
12-20Uhr
Abbildung 8: Haufigkeit von Frequenzanderungenim Jahr 2011
der aktuell maximal angebotenen Sekundar-
regelleistung. Diese sind
• ±5 %PNenn fur das Braunkohlenkraft-
werk,
• ±10 %PNenn fur das Steinkohlenkraft-
werk und
• ±23 %PNenn fur das GuD Kraftwerk.
4 Lebensdauerberechnung
4.1 Schadensmechanismen und
betrachtete Bauteile
Eine Reduktion der Lebensdauer bzw. das
Versagen von Komponenten wird durch un-
terschiedliche Beanspruchungen hervorgeru-
fen:
• Mechanische Beanspruchung
– Ermudung
– Rissausbreitung
• Thermische Beanspruchung
– Verzunderung
• Tribologische Beanspruchung
– Abrasion / Erosion
– Adhasion
– Tribochemische Reaktionen
• Korrosion
– Interkristalline Korrosion
– Spannungsrisskorrosion
– Schwingungsrisskorrusion
In Zusammenarbeit mit dem Lenkungskreis
erfolgte eine Einigung auf die folgenden Un-
tersuchungschwerpunkte:
1. Ermudung: Lebensdauerverbrauch von
Komponenten
2. Verschleiß: Bewertung der Ventilbean-
spruchung durch Stellaufwand
Kern dieses Forschungsvorhabens bilden die
zyklischen mechanischen Beanspruchungen
infolge von Druck- und Temperaturschwan-
kungen in den einzelnen Kraftwerkskompo-
nenten, welche durch Primar- und Sekun-
darregelvorgange hervorgerufen werden. Da-
her wird im Rahmen dieser Arbeit der Le-
bensdauerverbrauch auf mechanischer Basis
bewertet.
Um die Primar- und Sekundarregelung ab-
bilden zu konnen, wird ein vollumfangliches
Modell des Wasser-Dampf-Kreislaufes fur
jedes Kraftwerk benotigt. Im Vorfeld wur-
de hierfur der Detailierungsgrad festgelegt.
Folgende Komponenten wurden untersucht:
HD-Vorwarmer, Sammler und Verteiler (von
Economiser, Verdampfer, Uberhitzerstufen,
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6
Zwischenuberhitzerstufen), Einspritzkuhler,
Komponenten der Frischdampfleitung, Tur-
binenventile, Turbinenstrang, Kondensator,
ND-Vorwarmer und Speisewasserbehalter.
Der Generator wurde nach Rucksprache mit
Herstellern nicht untersucht, da dieser fur
die untersuchte Belastung unkritisch ist.
Im Laufe des Projektes konnte der Turbi-
nenhersteller Alstom mit eingebunden wer-
den, welcher den komplexen Turbinenstrang
untersucht hat. Dadurch unterscheiden sich
die strukturmechanischen Herangehenswei-
se in dieser Komponente.
Fur die Betrachtung der Komponenten des
Wasser-Dampf-Kreislaufs (außer Turbosatz)
wird das Nennspannungskonzept nach der
aktuellen DIN EN 12952 angewendet. Der
Turbosatz wird unter Anwendung des ortli-
chen Konzeptes mit FEM-Rechnungen un-
tersucht.
4.2 Ermudung der Komponenten
des Wasser-Dampf-Kreislaufs
(außer Turbosatz)
Fur die Komponenten des Wasser-Dampf-
Kreislaufes werden die zyklischen Bean-
spruchungen der Bauteile aufgrund von
Druck- und Temperaturschwankungen mit
Hilfe des Betriebsfestigkeitsnachweises nach
DIN EN 12952 [1] bewertet (Nennspan-
nungskonzept). Hierbei werden Spannun-
gen, die am Lochrand an der Innenflache
des Ubergangs zwischen zwei Zylindern oder
zwischen Zylinder und Kugel entstehen,
betrachtet. Insbesondere bei dickwandigen
Bauteilen kommt es zu hohen thermisch
induzierten Spannungen, welche durch die
Kerbwirkung der Stutzengeometrien noch-
mals verstarkt werden.
Die thermisch induzierten Spannungen wer-
den konservativ als Thermoschockspannun-
gen berechnet. Sie ergeben sich aus der Tem-
peraturdifferenz zwischen zwei aufeinander-
folgenden Extremwerten der Temperatur-
Zeit-Funktion, sowie Werkstoff- und Kerb-
faktoren.
Schließlich ergibt sich durch Superpositi-
on der mechanischen und thermisch in-
duzierten Spannungen die Belastungs-Zeit-
Funktion, welche hinsichtlich der auftre-
tenden Schwingspiele nach der Rainflow-
Counting-Methode [4] klassiert wird. Der
Einfluss von Oberflachenrauheiten und
Schweißnahten wird durch Multiplikation
mit entsprechenden Korrekturbeiwerten be-
rucksichtigt. Um die resultierenden Teil-
schadigungen der aus der Rainflowzahlung
ermittelten Zyklen zu bestimmen, werden
die entsprechenden Spannungsamplituden
mit den ertragbaren Amplituden der Woh-
lerlinie verglichen. Die Addition aller Teil-
schadigungen fuhrt zur Gesamtschadigung
der jeweiligen Komponente.
Abbildung 9: Betrachtete Stutzengeometie nachDIN EN 12952 (Nennspannungskonzept [1])
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7
4.3 Ermudung der
Dampfturbinen
Im Rahmen des Projektes wurden die
Lebensdauerberechnungen der Dampfturbi-
nenrotoren der Kraftwerke Rostock und
Janschwalde durch die Firma ALSTOM
durchgefuhrt.
Die umfassende Uberwachung aller Bau-
teile einer Dampfturbine dient dem Ziel,
die Betriebssicherheit sowie Flexibilitat
und Verfugbarkeit der Maschinen langfris-
tig sicherzustellen. Die Lebensdaueruberwa-
chung basiert auf theoretischen Berechnun-
gen und zerstorungsfreiem Prufen hochbe-
lasteter Bauteile.
Die Berechnungen umfassen Bauteile, die
Betriebstemperaturen oberhalb von 400 ◦C
ausgesetzt sind. Typisch hierbei sind die
HD- und MD- Turbinenrotoren, Innen-
gehause und Einstromleitungen. In einer
Lebensdauerberechnung werden allgemein
Kriech- und Dehnungswechselermudung der
hoch belasteten Bauteile ermittelt, nicht Be-
standteil der Untersuchungen sind Schadi-
gungsarten, die auf Erosion, Korrosion oder
Verschleiß basieren.
Fur die transiente Fahrweise einer Dampf-
turbine wird der hochst belastete Bereich
(meist die erste Wellennut) durch die An-
fahrsonde Turbomax bezuglich uberhohtem
Lebensdauerverbrauch geregelt. Der Ro-
tor ist aus Erfahrungswerten vieler Unter-
suchungen die fuhrende Komponente fur
Dehnungswechselermudungen. Die Turbi-
nenschaufeln konnen aufgrund ihrer Be-
schaffenheit als dunnwandige Bauteile bei
den Betrachtungen vernachlassigt werden.
Im Turbinenbetrieb konnen die Dampf-
zustande infolge betrieblicher Forderungen
von den Nenn- und Auslegungsparame-
tern abweichen, womit sich der geplan-
te zeitliche Verlauf der Ermudung andert.
Je nach Uberwachung, Art und Haufigkeit
von Starts und Leistungsanderungen wird
der Ermudungsablauf der Bauteile zusatz-
lich beeinflusst. Aufgrund des zunehmend
volatilen Anteils der Stromerzeugung sind
die Belastungen der Dampfturbine stark
schwankend. Die Berechnungen werden des-
halb nicht mehr uber reprasentative Events
durchgefuhrt, sondern mit ganzheitlichen
Betriebsdaten, die in den Kraftwerken aus-
gelesen werden.
Die Ermittlung der Gesamtermudung E
aus Zeitstands- und Dehnungswechselermu-
dung erfolgt nach den Regeln von Robin-
son und Palmgren-Miner. Versuche haben
gezeigt, dass bei veranderlichem Anteil der
Zeitstands- und Dehnungswechselbeanspru-
chungen Turbinenbauteile schon bei Werten
von E < 1 ihre Versagensgrenze erreichen
konnen. Unter Beachtung der bei Dampftur-
binen ublichen Variationsbreite der Bean-
spruchungen wird das rechnerische Lebens-
dauerende bei einer Ermudung E = 0,75
festgelegt.
Um eine qualitative Aussage von Regelein-
flussen auf die Ermudung der Turbinen-
komponenten zu erlangen, wurden die Deh-
nungswechselermudungen fur die verschie-
denen Regelszenarien berechnet.
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8
Abbildung 10: Dreidimensionale Darstellung derSpannungsverteilung innerhalb eines MD-Rotors(KW Rostock). Berechnung mittels transienter Fi-niter Elemente Methode.
Die hohe Bauteilkomplexitat forderte die
Anwendung eines ortliches Konzepts, bei
dem 2D/3D Finite Elemente (FE) Modelle
erstellt wurden.
Schwerpunkt bildeten jeweils die Hoch-
und Mitteldruckturbinenrotoren, deren ex-
akte Geometrie, sowie thermodynamischen
Randbedingungen mit einem Inhouse-Tool
umfassend abgebildet wurden. Alle Berech-
nungsergebnisse sind daher auf den speziel-
len Belastungsfall bezogen. Eine generische
Losung wird aufgrund zahlreicher Modellva-
riablen und Randparameter nicht empfoh-
len. Der Einfluss von unterschiedlichen Nut-
geometrien und Nuttiefen im Turbinenrotor,
die Lage der Entlastungsblase, firmenspezi-
fische Materialparameter und verschiedene
Arten der transienten Fahrweisen (z.B. An-
und Abfahren, Primarregelung, Niedriglast)
ist zu groß, um allgemeine Aussagen treffen
zu konnen.
Die fur die Analyse der Regelvorgange not-
wendigen Prozessdaten, wie beispielsweise
Dampfdruck und -temperatur, wurden aus
den dynamischen Kreisprozesssimulationen
entnommen und in die thermodynamischen
Berechnungen der Warmeubergangskoeffi-
zienten uberfuhrt, um anschließend FEM-
Berechnungen durchzufuhren. Im Ergeb-
nis dessen konnten die zeitlichen Verlau-
fe von Spannungen, Dehnungen und Tem-
peratur innerhalb der Turbinenrotoren be-
stimmt werden, die im Weiteren als Ein-
gangsgroße fur die Bestimmung von Zyklen-
zahlen dienten. Die Grundlage dafur bil-
deten Dehnungswohlerdiagramme, die ei-
ner Alstom-internen Datenbank entnommen
wurden und dabei die Materialeigenschaf-
ten der Dampfturbinen im Speziellen abbil-
den. Fur die Bewertung des Einflusses der
Regelenergielieferung auf die Lebensdauer
der Dampfturbinen wurden Referenzzyklen
betrachtet, wobei die Zyklenzahlen fur un-
terschiedliche An- und Abfahrprozesse be-
stimmt wurden und diese dann in Relation
zu den Ergebnissen der Betriebszyklen mit
Primar- und Sekundarregelung gesetzt wur-
den.
5 Einfluss der
Primarregelung auf die
Lebensdauer von
Kraftwerkskomponenten
5.1 Komponenten des
Wasser-Dampf-Kreislaufs
(außer Turbosatz)
Das normalerweise gleichzeitige Auftreten
eines Lastwechsels mit einer Primarregel-
leistungsanforderung kann zu einer Schadi-
gung fuhren. Dies konnte fur einige Kompo-
nenten des GuD-Kraftwerks und des Stein-
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9
kohlenkraftwerks nachgewiesen werden (vgl.
Abb. 11 und 12). Fur das untersuchte
Braunkohlenkraftwerk wurde keine Schadi-
gung festgestellt, da die Amplituden des
Fahrplanwechsels relativ klein sind. In den
Abbildungen sind jeweils die Schadigungs-
summen fur ein Jahr durchgehende Primar-
regelung mit Lastwechselbetrieb SPR in Re-
lation zu den Schadigungssummen fur ein
Jahr reinen Lastwechselbetrieb Sref gesetzt.
HDV1Vert
HDV1Samm
HDV2Vert
HDV2Samm
UEH1Vert
UEH4Vert
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
SPR
/Sref
Abbildung 11: Jahrliche relative Schadigung durchPrimarregelung SPR im Steinkohlenkraftwerk
HD-TromSteigrohre2
HD-TromSpWStutz
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
SPR
/Sref
Abbildung 12: Jahrliche relative Schadigung durchPrimarregelung SPR im GuD Kraftwerk
Wie zu erkennen ist, sind die stark tempera-
turbelasteten Bauteile, wie der Uberhitzer 4
im Steinkohlenkraftwerk, mit einer um 20 %
erhohten Schadigung und die Hochdruck-
Trommel im GuD-Kraftwerk mit einer um
30 % erhohten Schadigung betroffen. Die
Absolutwerte der jahrlichen Schadigungss-
umme liegen im Bereich von 10−4. Somit
ist der Einfluss der Primarregelung auf die
Lebensdauer einzelner Komponenten nach
DIN EN 12952 in allen untersuchten Kraft-
werken vernachlassigbar.
5.2 Dampfturbinen
Kraftwerk Rostock Aufgrund der Regel-
gute des Steinkohlenkraftwerkes fuhren die
untersuchten Regelvorgange zu keinen signi-
fikanten Anderungen in den Dampftempe-
raturen in der HD- und MD-Turbine und
somit zu einem vernachlassigbaren Lebens-
dauerverbrauch im Vergleich zu den be-
trachteten Referenzzyklen. Es wurde fest-
gestellt, dass Spannungs- und Dehnungsver-
laufe innerhalb der Turbinenrotoren, die den
großten Einfluss auf die Berechnungsergeb-
nisse haben, die Extremwerte vom An- und
Abfahren nicht uberschreiten (Abb.13).
100 200 300 400 500 600 700 8000
0.2
0.4
0.6
0.8
1
Zeit in min
Nor
mie
rte
Ver
gle
ich
sspan
nun
g
ReferenzzyklusLW30 + PR8PR8
Abbildung 13: Exemplarischer von-Mises-Vergleichsspannungsverlauf in der ersten Wellennutder MD-Turbine Rostock fur einen 30 % Lastwech-sel (LW30) und eine Primarregelanforderung derAMplitudenklasse 8 (PR8)
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10
Zusatzlich wurden Lebensdauerberechnun-
gen der Regelszenarien ohne An- und Abfah-
ren durchgefuhrt. Alle Ergebnisse lagen da-
bei innerhalb des Dauerfestigkeitsbereiches.
Wie in Tabelle 2 exemplarisch zu sehen ist,
haben die An- und Abfahrvorgange der HD-
Turbine einen großen Einfluss auf die Le-
bensdauer. Je nach Eventkombination vari-
ieren die Zyklenzahlen bis zu einem Lebens-
dauerverbrauch von 100 % um den Faktor
drei.
Abfahren 1 Abfahren 2Heißstart 4287 2598
Warmstart 7440 2394
Tabelle 2: Zyklenzahlen eines Heiß- (HS) undWarmstarts (WS) mit unterschiedlichen Abfahr-events (SD). Erste Wellennut HD-Turbine.
Die Regelevents Lastwechsel (LW) Primar-
regelung (PR) (Tab. 3) hingegen zeigen
einen zu vernachlassigenden Einfluss auf die
betrachteten Referenzzyklen. Die Zyklen-
zahlen weichen nur minimal voneinander ab
und werden als unkritisch betrachtet.
LW30 LW30 + PRHS+SD01 4287 4227HS+SD02 2598 2598WS+SD01 7440 7120WS+SD02 2394 2386
Tabelle 3: Zyklenzahlen der Referenzszenari-en (HS/WS+SD) mit einem 30% Lastwech-sel (LW30) und einem ausgewahlten Regelszena-rio (PR). Erste Wellennut HD-Turbine.
Die Berechnungen der MD-Turbine zeigten
ein ahnliches Verhalten. Der Einfluss der Re-
geleingriffe wird als ernachlassigbar bewer-
tet (Tab. 4 und 5).
Abfahren 1 Abfahren 2Warmstart 8463 5366Heißstart 8752 2511
Tabelle 4: Zyklenzahlen eines Heiß- (HS) undWarmstarts (WS) mit unterschiedlichen Abfahr-events (SD). Erste Wellennut MD-Turbine.
LW30 LW30 + PRWS+SD01 8463 8463WS+SD02 5366 5366HS+SD01 8752 8752HS+SD02 2511 2511
Tabelle 5: Zyklenzahlen der Referenzszenarien(HS/WS+SD)) mit einem 30% Lastwechsel und ei-nem ausgewahlten Regelszenario. Erste WellennutMD-Turbine Rostock.
Kraftwerk Janschwalde Fur die Lebens-
dauerberechnungen der beiden Turbinen des
Braunkohlenkraftwerkes wurden Betriebs-
daten von zweieinhalb Jahren ausgewertet,
um die notwendigen Referenzzyklen zu se-
lektieren. Beim An- und Abfahren im Duo-
kesselbetrieb treten, im Vergleich zum zu-
vor betrachteten Kraftwerk Rostock, hohere
Temperaturgradienten im Turbinenbereich
auf. Dies fuhrt rechnerisch zu hoheren Deh-
nungen innerhalb des Materials und damit
zu niedrigeren Zyklenzahlen der Referenzzy-
klen.
Abfahren 1 Abfahren 2Heißstart 1503 3259
Tabelle 6: Zyklenzahlen eines Heißstarts mit un-terschiedlichen Abfahrevents (SD). Erste WellennutMD-Turbine.
Tabelle 6 und 7 bestatigen, dass im Ergeb-
nis der Berechnungen des Netzregelbetriebs
die Spannungs- und Dehnungsamplituden
der Referenzzyklen nicht uberschritten wur-
den und somit kein Einfluss auf die Deh-
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Lehrstuhl fur Strukturmechanik
11
nungswechselermudung nachgewiesen wer-
den kann.
LW25 LW25 + PRHS+SD01 1503 1503HS+SD02 3259 3259
Tabelle 7: Zyklenzahlen der Referenzszenarien miteinem 25% Lastwechsel und einem ausgewahltenRegelszenario. Erste Wellennut MD-Turbine.
Ebenfalls wurden alle Regelszenarien ohne
An- und Abfahren analysiert und ausgewer-
tet. Die Spannungen liegen alle innerhalb
des Dauerfestigkeitsbereiches.
Kraftwerk Mainz-Wiesbaden Das Kraft-
werk Mainz-Wiesbaden verwendet eine Sie-
mens Dampfturbine. Zu dieser haben keine
Untersuchungen stattgefunden.
5.3 Beanspruchung von
Regelventilen
Die Primarregelung hat einen großen Ein-
fluss auf den Stellaufwand von Turbinen-
regelventilen und Anzapfklappen. Exem-
plarisch wurden die Hochdruckventile des
Braunkohlenkraftwerkes anhand von Mess-
daten untersucht. Hierbei wurde durch die
Primarregelung eine Erhohung des jahrli-
chen Ventilweges um den Faktor 1,35 und
der Umkehrpunktanzahl um den Faktor 1,15
und damit einer Reduktion der Einsatz-
dauer von ca 20 % festgestellt. Aufgrund
der verwendeten Messdaten und der rela-
tiv großen Zeitdifferenz zwischen zwei Mess-
punkten sind diese Faktoren als unter-
schatzt zu bewerten.
5.4 Vergleich unterschiedlicher
Primarregelprinzipien
Mit Hilfe der Simulationsmodelle ist es
moglich, unterschiedliche Primarregelprin-
zipien zu untersuchen. Hierbei wurde die
Frischdampf-Androsselung durch die HD-
Ventile, der Kondensatstau durch Verrin-
gerung des Anzapfdampfmassenstroms zu
den Niederdruckvorwarmern bei gleichzei-
tiger Drosselung des Kondensats und die
Drosselung des Anzapfdampfmassenstroms
zu den Hochdruckvorwarmern (HDV) unter-
sucht. Wie in Abbildung 14 zu erkennen, ha-
ben die Primarregelprinzipien unterschiedli-
che Einflusse auf die Komponenten.
Dargestellt ist die maximale Spannungs-
amplitude in Relation zur Dauerfestigkeit.
Werden die 100 % uberschritten, erfahrt die
Komponente eine Schadigung. Durch Kon-
densatstau und HDV-Androsselung werden
die Komponenten des Kessels, wie die Uber-
hitzer 3 und 4 und die Zwischenuberhitzer 1
und 2, im Vergleich zur Frischdampfandros-
selung entlastet. Allerdings erhohen sich die
Spannungen in den Niederdruckvorwarme-
rn (Kondensatstau) und den Hochdruckvor-
warmern (HDV-Androsselung) um ein Viel-
faches. Die Dauerfestigkeit wird in keinem
Fall uberschritten.
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Lehrstuhl fur Strukturmechanik
12
6 Einfluss der
Sekundarregelung auf die
Lebensdauer von
Kraftwerkskomponenten
6.1 Komponenten des
Wasser-Dampf-Kreislaufs
(außer Turbosatz)
Das gleichzeitige Auftreten von Last-
wechseln und Sekundarreglung fuhrt zu
einem erhohten Lebensdauerverlust im Ver-
gleich zu einem reinen Lastwechselbetrieb
beim Steinkohlen- und GuD-Kraftwerk.
Beim Steinkohlenkraftwerk fuhrt dies
zu einer Zunahme der Schadigung in
den Hochdruckvorwarmern (+30 %)
und den Uberhitzern 1 (+20 %)
und 4 (+15 %) (vgl. Abb. 17). Zu-
dem erfahren im Steinkohlenkraftwerk
neun (vgl. Abb 16) weitere Komponenten
durch die Uberlagerung erstmalig eine
Schadigung.
HDV1Vert
HDV1Samm
HDV2Vert
HDV2Samm
UEH1Vert
UEH4Vert
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
SSR
/Sref
Abbildung 15: Relative Erhohung der Schadigungfur ein Jahr durchgangige Sekundarregelung imSteinkohlenkraftwerk
Beim GuD-Kraftwerk fuhrt die Sekun-
darregelung in Uberlagerung mit Last-
wechseln zu einer Zunahme der Schadi-
gung in den Steigrohren (+400%) und
der Speisewasserstutzen (+300%) der HD-
Trommel (vgl. Abb. 17). Zudem erfah-
ren durch die Uberlagerung vier weite-
re Komponenten erstmalig eine Schadi-
gung (vgl. Abb 18).
ND
V1
ND
V2
ND
V3
ND
V4
HD
V1
S
HD
V2
S
HD
V3
S
Eco
V
Eco
S
Ver
dp
fS
UH
2S
UH
3S
UH
4S
ZU
H1
S
ZU
H2
S
0
20
40
60
σmax
/σd
in%
Frischdampf-Androsselung
Kondensatstau
HD-Vorwarmer-Androsselung
Abbildung 14: Maximale Spannungsamplituden einer Auswahl von Komponenten bei unterschiedlichen Pri-marregelprinzipien im Braunkohlenkraftwerk (Angaben bezogen auf den jeweiligen Dauerfestigkeitswert).
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13
HD
V1
VH
DV
1S
HD
V2
VH
DV
2S
HD
V3
SV
erdp
fV
Ver
dp
fS
UH
1V
UH
1S
EK
1U
H2
VU
H3
VU
H3
SE
K2
UH
4V
0
0,5
1,0
·10−4S
pro
Jah
r
ohne Sekundarregelungmit Sekundarregelung
Abbildung 16: Absolutwerte der Schadigung fur einJahr durchgangige Sekundarregelung im Steinkoh-lenkraftwerk
HD-TromSteigrohre2
HD-TromSpWStutz
1
2
3
4
SSR
/Sref
Abbildung 17: Relative Erhohung der Schadigungfur ein Jahr durchgangige Sekundarregelung imGuD-Kraftwerk
Zu beachten ist, dass die jeweiligen Schadi-
gungssummen in der Großenordnung 10−4
liegen und damit vernachlassigbar sind.
Beim Braunkohlenkraftwerk sind die Ampli-
tuden der Fahrplanwechsel und der Sekun-
darregelung relativ klein und fuhren zu kei-
ner Schadigung.
HD-T
rom
Dampfstu
tz
HD-T
rom
Steigrohre1
HD-T
rom
Steigrohre2
HD-T
rom
Fallrohre
HD-T
rom
SpW
Stu
tz
MD-T
rom
Steigrohre1
0
2
4
6·10−4
Sp
roJah
r
ohne Sekundarregelungmit Sekundarregelung
Abbildung 18: Absolutwerte der Schadigung furein Jahr durchgangige Sekundarregelung im GuD-Kraftwerk
6.2 Dampfturbinen
Die Uberlagerung eines negativen Lastwech-
sels mit einem negativen Sekundarregelsi-
gnal (und vice versa) fuhrt zu einer Ver-
großerung der Leistungsanpassung und da-
mit auch zu transienten Vorgangen, die
mit großeren Temperaturgradienten verbun-
den sind. Dies wiederum fuhrt zu erhoh-
tem Lebensdauerverbrauch, der allerdings
erst durch den angesetzten Lastwechsel er-
moglicht wird. Es zeigte sich, dass die Zy-
klenzahlen aufgrund der erreichten niedri-
geren Teillast im Vergleich zum Referenzzy-
klus nicht sanken (Tab. 8).
LW25 LW + SRHS+SD01 1503 1503HS+SD02 3259 3259
Tabelle 8: Zyklenzahlen der Referenzszenarien miteinem 25 % Lastwechsel (LW25) und einem gleich-zeitigem 5% Sekundarregelszenario (SR). MD-Turbine Janschwalde.
Es wird angemerkt, dass der Einfluss der
Teil- oder Niedriglast in den Untersuchun-
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Lehrstuhl fur Strukturmechanik
14
gen als dominant gewertet und durch mog-
liche Regeleingriffe verstarkt wird.
7 Zusammenfassung
Bedingt durch Liberalisierung und Energie-
wende unterliegen in dem Gesamtsystem der
elektrischen Energieversorgung thermische
Kraftwerke erhohten Anforderungen und ei-
nem hoheren Verschleiß. In der Realitat be-
deutet dies eine steigende Anzahl von An-
und Abfahrvorgangen, ansteigende Lastgra-
dienten und zunehmende Fahrweise in Min-
destlast. Damit ergibt sich haufiger Betrieb
jenseits der ursprunglichen Auslegung. Eine
Reduktion der Lebensdauer bzw. das Versa-
gen von Komponenten werden durch unter-
schiedliche Beanspruchungen hervorgerufen
• Mechanische Beanspruchung (Ermu-
dung, Rissausbreitung)
• Thermische Beanspruchung (Verzunde-
rung)
• Tribologische Beanspruchung (Abrasi-
on, Erosion, Adhasion, Tribochemische
Reaktionen)
• Korrosion (Interkristalline Korrosion,
Spannungsrisskorrosion, Schwingungs-
risskorrosion)
Der Einfluss der Primar- und Sekundarre-
gelung auf die Dauerfestigkeit (Lebensdau-
erverbrauch) gemaß DIN EN12952 ausge-
wahlter dickwandiger Bauteile des Wasser-
Dampfkreislaufes wurde im Zusammenhang
mit Lastwechseln untersucht. Im Ergebnis
wurde kein kritischer Einfluss auf die Ge-
samtlebensdauer festgestellt. Der Einfluss
der Primarregelung auf die Turbinenventi-
le durch tribologische Beanspruchung wurde
durch quantitative Analyse der Ventilwege
und Umkehrpunkte ermittelt. Im Ergebnis
wurde eine um mindestens 20% reduzierte
Ventileinsatzdauer nachgewiesen.
In der Untersuchung wurden integre Werk-
stoffe (ohne Vorschadigung, insbesondere
rissfrei) vorausgesetzt. Dabei fuhrt gerade
der Einfluss der Primar- und Sekundarrege-
lung und der damit einhergehenden kleinen,
aber haufigen Lastwechseln, zu einem erhoh-
ten Risswachstum und in der Folge zu einem
Versagen der Komponenten. Um Aussagen
zu dem Gesamteinfluss der Liberalisierung
und Energiewende treffen zu konnen besteht
weiterer Untersuchungsbedarf zu folgenden
Schwerpunkten:
• kunftige Szenarien, z.B. Lastande-
rungsgradienten
• erweiterte tribologische Untersuchun-
gen, z.B. Reibung
• Untersuchung weiterer Komponenten,
z.B. im Rauchgassystem
• Einbeziehung Teillast- und Mindest-
lastbetrieb
• Einbeziehung An- und Abfahrvorgange
• Belastungen durch Abbau von Traghei-
ten im Ubertragungsnetz, z.B. ROCOF
Die im Projekt entwickelten hochdetaillier-
ten, dynamischen Kraftwerksmodelle sind
fur diese weiterfuhrenden Untersuchungen
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Lehrstuhl fur Strukturmechanik
Literaturverzeichnis 15
sehr gut geeignet.
Literaturverzeichnis
[1] DIN EN 12952-3 Wasserrohrkessel und
Anlagenkomponenten - Teil 3: Konstruk-
tion und Berechnung fur drucktragen-
de Kesselteile. Deutsche Fassung EN
12952-3, 2011.
[2] Dooley, R.B.: Revised Release on the
IAPWS Industrial Formulation 1997 for
the Thermodynamic Properties of Wa-
ter and Steam. Technischer Bericht, The
International Association for the Proper-
ties of Water and Steam, 2007.
[3] Gnielinski, V: VDI-Warmeatlas. Ver-
ein Deutscher Ingenieure, 10. Auflage
Auflage, 2006.
[4] Internetseite von MATLAB Cen-
tral: Rainflow Counting Algorithm by
Adam Nieslony. www.mathworks.com,
2003.
Abkurzungsverzeichnis
Abkurzung Bedeutung
2D/ 3D zwei-/ dreidimensional
Abb. Abbildung
DT Dampfturbine
E Ermudung
ECO Economizer
FEM Finite-Elemente-Methode
GuD Gas und Dampf
Abkurzung Bedeutung
HD Hochdruck
HDV Hochdruckvorwarmer
HS Heißstart
KW Kraftwerk
LW Lastwechsel
MD Mitteldruck
ND Niederdruck
NDV Niederdruckvorwarmer
PR Primarregelung
Sref Referenzschadenssumme
Samm, S Sammler
SD Shut Down / Abfahren
SpWStutz Speisewasserstutzen
SR Sekundarregelung
Trom Trommel
UH, UEH Uberhitzer
Vert, V Verteiler
vgl. vergleiche
WS Warmstart
z.B. zum Beispiel
ZUH, ZUEH Zwischenuberhitzer
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