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Projektinfos  – Energieforschung konkret

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Wissenschaftler haben neues Konzept für flexible und belastungsabhängige Inspektionsintervalle von Kraftwerkskomponenten unter Wechsellast entwickelt.
© TÜV Nord
Kraftwerkstechnik
Projektinfo 01/2018

Das Schadenstoleranzdiagramm zeigt beispielhaft, wie sich die Restlebensdauer einer Komponente verlängern kann, wenn statt der rein rechnerischen Ermüdungsanalyse (rot) das tatsächliche Einsatzprofil des Kraftwerks zugrunde gelegt wird (blau) und in die bruchmechanische Analyse eingeht.
© TÜV Nord

Lebensdauer eines Bauteils und Phasen der Rissentstehung. Bis zum Auftreten eines technischen Anrisses (etwa 2 mm) soll eine Komponente gemäß der Ermüdungsanalyse geprüft werden. Nach dessen Auftreten greift dann die bruchmechanische Methode.
© Uni Rostock, Prof. M. Sander
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Materialbelastung in flexiblen Kraftwerken

Für klassische Kohle- und Erdgaskraftwerke ändern sich die Einsatzbedingungen durch den Verbund mit den erneuerbaren Energien erheblich. Sie laufen künftig häufiger unter Teillast, weisen erheblich mehr An- und Abfahrzyklen auf und die Komponenten werden stärker und anders belastet. Wissenschaftler haben die thermische und mechanische Belastung dickwandiger Bauteile in Kraftwerken unter den neuen Bedingungen untersucht. Ziel ist, bei gleichem Sicherheitsniveau die Stabilität von Komponenten gegenüber Schädigungen exakter zu berechnen und damit deren Einsatzzeiten wirtschaftlich zu optimieren.

Dampfkraftwerke auf Basis von Kohlen oder Erdgas sind bisher auf möglichst konstante Betriebsphasen mit stabilen Temperatur- und Innendruckverhältnissen ausgelegt. Üblicherweise herrschen im Bereich der Dampfturbinen 540–600 °C sowie 240–290 bar. Ein Kraftwerk sollte für den Volllastbetrieb diesen Zielbereich möglichst schonend erreichen und lange einhalten.

Die Energiewende verlangt aber eine deutlich höhere Flexibilität dieser Kraftwerke. Sie stehen im Netz im engen Verbund mit Windparks und Photovoltaikanlagen und müssen den restlichen, durch die Erneuerbaren nicht abgedeckten Strombedarf sowie den größten Teil der Systemdienstleistungen zur Netzstabilität decken. In der Folge werden diese Kraftwerke durch häufige Starts und Übergänge in den Teillastbereich beansprucht. Das bedeutet jedes Mal für die Bauteile einen Temperaturwechsel von mehreren hundert Grad in vergleichsweise kurzen Zeiträumen. Diese neuen Bedingungen belasten die Komponenten stärker und anders.

Wissenschaftler haben daher im Forschungsprojekt THERRI die Belastungen durch zyklische Temperaturänderungen unter den veränderten Lastgängen in Kraftwerken untersucht und eine neue Methode zur bruchmechanischen Schadenstoleranzanalyse experimentell und numerisch entwickelt und getestet. Dank der Projektergebnisse lässt sich die Restlebensdauer von zentralen Anlagenkomponenten erstmalig genauer kalkulieren, ohne bei der technischen Sicherheit Abstriche vorzunehmen. Für die wirtschaftliche Kalkulation der Kraftwerksbetreiber sind diese Erkenntnisse wichtig, weil die Anlagen einerseits durch den häufigeren Teillastbetrieb und zahlreiche Stillstände geringere Erlöse erzielen als im Volllastbetrieb und andererseits durch diese Lastwechsel aber höhere Wartungs- und Instandhaltungskosten entstehen. Die Ergebnisse der Untersuchungen flossen in einen neuen Richtlinienentwurf zum bruchmechanischen Konzept ein. Der TÜV Nord hat das Projekt gemeinsam mit der Universität Rostock und dem Forschungszentrum Jülich durchgeführt. Die Praxistests fanden am KNG Kraftwerk Rostock statt. Es wurden lastabhängige Inspektionsintervalle für die Kesselumwälzpumpe und den Überhitzer-Sammler ermittelt.

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Neue Methode zur Schadensbewertung

Unter Teillast arbeitet auch ein klassisches Kraftwerk längere Zeit im Temperaturbereich zwischen 300 und 550 °C. Das führt zu anderen Formen der Materialbelas¬tungen: Oberhalb von etwa 550 °C dominieren bei gleichbleibend hohen Temperaturen Kriechrisse, während unterhalb durch die häufigeren Temperatur- und Druckwechsel Ermüdungsrisse das Hauptrisiko darstellen. In der Praxis überlagern sich beide Formen und der Übergangspunkt liegt bei etwa 500 °C.

Durch den häufigeren Teillastbetrieb ist eine Komponente in der Praxis anders belastet als es die Standardannahmen der Regelwerke vorsehen. Daher entwickelten die Projektpartner eine Methode der bruchmechanischen Bewertung, die die Einsatzpraxis berücksichtigt. Sie ist geeignet, bei unverändert hohem Sicherheitsniveau eine längere Restlebensdauer der Komponenten zu ermöglichen. Dazu haben die Partner die notwendigen Grundlagen durch experimentelle, numerische und materialwissenschaftliche Untersuchungen sowie Praxistests erarbeitet, die bisher fehlten.

Im Fokus stehen die dickwandigen Kraftwerkskomponenten, wie z. B. Kugelformstücke, Hochdruckumleitstationen und Kesselumwälzpumpen. Überwiegend bestehen sie aus besonders widerstandsfähigen Kraftwerksstählen, z. B. ferritisch-martensitischem Stahl. Die Rissbildung erfolgt in verschiedenen Phasen. Die Wissenschaftler gingen bei ihrer Methode von einem hypothetischen Riss aus, der als technischer Anriss mittels zerstörungsfreier Prüfverfahren detektiert werden kann. Und sie stellten sich die Frage, wie schnell und beeinflusst durch welche Parameter würde sich dieser Riss ausbreiten und wie lange ließe sich das Bauteil noch sicher nutzen. Für diesen rein virtuellen Riss erarbeiteten sie die Schadenstoleranzanalyse. Die THERRI-Methodik kann aber auch bei Bauteilen mit realen Rissen eingesetzt werden, das wäre dann eine Schadensanalyse.

Merkzettel

Adressen

Projektleitung
TÜV NORD AG

Experimentelle, numerische und analytische Untersuchungen
Universität Rostock, STM

Simulation des Kraftwerksbetriebs
Universität Rostock, LTT

Experimentelle Untersuchungen des Atmosphären- und Kriecheinflusses
Forschungszentrum Jülich GmbH, IEK-2

Infotipps

Trockenbraunkohle erhöht die Flexibilität
BINE-Projektinfo 07/2016

Forschungsförderung

Das Informationssystem EnArgus bietet Angaben zur Forschungsförderung, so auch zu diesem Projekt.