Pilotierung des Kesselstarts mit Lichtgeschwindigkeit

May 28, 2023

Viele GuD-Kraftwerke werden als Spitzenkraftwerke und nicht als Grundlastanlagen betrieben. Dies kann für Economizer-Sicherheitsventile ein Problem darstellen. Vorgesteuerte Sicherheitsventile bieten in dieser Situation mehrere Vorteile im Vergleich zu standardmäßigen federbelasteten Sicherheitsventilen.

Die Energiewirtschaft hat in den letzten Jahrzehnten eine Reihe bedeutender technologischer Veränderungen erlebt, von einer Infrastruktur des 20. Jahrhunderts, die von Kohle- und Kernkraftwerken dominiert wurde, bis hin zur effizienteren und umweltfreundlicheren Stromversorgung, die heute existiert. Eine erhebliche Senkung der Erdgaskosten führte zur raschen Entstehung von Kombikraftwerken (CCPP), die höhere Wirkungsgrade bei gleichzeitig geringerem CO2-Fußabdruck bieten. Seit fast 20 Jahren sind CCPPs die dominierende Technologie mit Neubauten und steigenden Kapazitäten auf der ganzen Welt.

In jüngerer Zeit haben jedoch niedrigere Erzeugungskosten, kürzere Bauvorlaufzeiten und staatliche Subventionen zu einem Anstieg der weltweiten Nachfrage nach erneuerbaren Energiequellen wie Wind- und Solarenergie geführt. Das rasante Wachstum der erneuerbaren Energien hat die Nachfrage nach neuen CCPPs drastisch reduziert. Nach Angaben der Internationalen Energieagentur markierte das Jahr 2015 einen Wendepunkt für erneuerbare Energien. Angeführt von Wind- und Solarenergie machten erneuerbare Energien in diesem Jahr mehr als die Hälfte aller weltweit neu installierten Stromkapazitäten aus, und das Wachstum setzte sich fort.

Der Anstieg der gesamten Marktversorgungskapazität hat zusammen mit den niedrigeren Betriebskosten erneuerbarer Energien dazu geführt, dass die Energiewirtschaft viele CCPPs in „Spitzen“-Einheiten umwandelt, um Strom zu liefern, wenn erneuerbare Quellen nicht die volle Nachfrage decken können, beispielsweise wenn die Sonne untergeht Nacht. Diese veränderte Nachfrage hat CCPPs dazu veranlasst, ihren Betrieb zu ändern, um eine schnelle Verfügbarkeit der Erzeugung zu gewährleisten, was sich in einem schnelleren An- und Abschalten sowie einer starken zyklischen Belastung wichtiger Geräte wie Abhitzedampferzeugern (HRSGs) niederschlägt.

Wenn ein GuD-Kraftwerk ans Netz geht, erhöht sich die Speisewassertemperatur, da es über ein als Economizer bezeichnetes System Wärme aus den Gasturbinenabgasen aufnimmt, bevor es dem HRSG zugeführt wird, wo es sich vollständig in Dampf umwandelt, um die Dampfturbine anzutreiben. Der Economizer selbst ist als befeuerter Druckbehälter konzipiert und muss daher gemäß ASME-Vorschriften über eine oder mehrere Druckentlastungsvorrichtungen verfügen, falls er vom Kessel isoliert wird und unabhängig entlüftet werden muss.

In der Vergangenheit handelte es sich bei diesen Druckentlastungsvorrichtungen um direkte, federbelastete Sicherheitsventile mit geschlossener Haube. Diese federbelasteten Sicherheitsventile müssen gemäß den Regeln des ASME Boiler and Pressure Vessel Code (BPVC), Abschnitt I, zertifiziert sein, was bedeutet, dass diese Ventile für Dampf als flüssiges Medium entworfen, getestet und zertifiziert werden müssen. Allerdings handelt es sich bei der Economizer-Anwendungsflüssigkeit üblicherweise um Hochtemperaturwasser, das noch keinen vollständigen Phasenübergang in Dampf durchlaufen hat.

Dies stellt ein Paradoxon zwischen Code-Design und geeigneter Anwendungstechnik dar, da code-erforderliche Dampftrimmungen nicht für die Entlastung bei Flüssigkeitsanwendungen ausgelegt sind. In vielen Installationen führen diese federbelasteten Dampfsicherheitsventile zu einem häufigen Entlastungsszenario, das als „Rattern“ bezeichnet wird. Rattern ist ein Vibrationseffekt, der durch eine kontinuierliche Reihe schneller Öffnungs- und Schließereignisse hervorgerufen wird. Wenn das Rattern nicht behoben wird, kann es schnell zu Schäden und Undichtigkeiten am Ventilsitz führen und, wenn es schwerwiegend genug ist, sogar zu Schäden an angrenzenden Rohrleitungen.

Als Reaktion auf diesen Trend zu beschädigten federbelasteten Economizer-Ventilen und gut dokumentierten HRSG-Startproblemen hat das ASME BPVC Section I-Komitee den Code Case 2446 vorbereitet und genehmigt, der den Einsatz pilotgesteuerter Sicherheitsventile (POSV) zum Schutz des Economizers ermöglicht. Das POSV bietet in dieser Anwendung viele Vorteile gegenüber einem federbelasteten Ventil, darunter die folgenden:

POSVs funktionieren, indem sie den vorgeschalteten Systemdruck erfassen und diesen Druck durch ein kleineres Pilotventil leiten, um die auf die Hauptventilscheibe wirkende Schließkraft zu steuern. Steigender Druck am Eingang des Ventils führt zu einer erhöhten Schließkraft, bis das Pilotventil öffnet. Im Gegensatz zu federbelasteten Ventilen, bei denen eine Feder unabhängig vom Einlassdruck eine Schließkraft bereitstellt, benötigen POSVs einen Eingangsdruck, um Druck in die Hauptventilkuppel zu laden, wodurch eine Schließkraft auf den Hauptventilkolben ausgeübt wird, der wiederum auf den Hauptventilkolben wirkt Hauptventilscheibe.

Bei der Inbetriebnahme der Anlage werden Kessel häufig mit niedrigeren Systemdrücken gefüllt, wobei im Economizer Bedingungen von etwa 1–2 barg (15–30 psig) herrschen. Wenn kein ausreichender Betriebsdruck vom Medium auf den Hauptventildom einwirkt, kann dies zu Undichtigkeiten am Hauptventilsitz und/oder zu Schäden an der Klappe, der Sitzbuchse und der Düse führen. Abbildung 1 zeigt eine typische Querschnittsansicht dieser Einbauten, um den Strömungsweg von der Sensorleitung zum Pilotventil zur Hauptventilkuppel über dem Ventilsitz und der Ventilscheibe zu zeigen.

1. Hier ist ein typisches vorgesteuertes Sicherheitsventil mit einem Fühlerrohr dargestellt, das die Flüssigkeit zum oben auf dem Hauptsicherheitsventil montierten Vorsteuerventil leitet. Mit freundlicher Genehmigung: Baker Hughes

Um die Dichtheit des Sitzes sicherzustellen, sollten Bediener eine Hilfsdruckquelle, z. B. eine Stickstoffflasche, am POSV-Feldtestanschlussanschluss installieren, um das Hauptventil in Zeiten niedrigen Systembetriebsdrucks unter Druck zu halten und geschlossen zu halten. Durch Anlegen eines Hilfsdrucks, der zwischen 75 % und 97 % des Einstelldrucks geregelt wird, kann die Hauptventilkuppel mit genügend Druck vorbelastet werden, um sicherzustellen, dass ausreichend Schließkraft bereitgestellt wird, um das Hauptventil geschlossen und dicht zu halten. Eine andere mögliche Lösung besteht darin, den Ventilhersteller zu konsultieren, um eine zusätzliche Feder mit geringem Widerstand in der Hauptventilkuppel zu installieren, die eine nach unten gerichtete Schließkraft auf die Hauptventilscheibe ausüben soll, die in Verbindung mit dem Druck im Hauptventil wirken kann Kuppel während dieses Niederdruck-Startzustands.

Eine weitere häufige Fehlerursache ist die Verstopfung der Filterelemente in der Pilot-Sensorleitung durch Systemreste, die bei der Inbetriebnahme nicht vollständig ausgespült wurden. Das Verstopfen eines Filters in der Sensorleitung verhindert, dass der Druck den Piloten erreicht, was zu einem verringerten Druck in der Hauptventilkuppel führt. Der verringerte Druck im Hauptventildom führt dazu, dass das Ventil leckt und/oder sich öffnet, wodurch Dampf verschwendet, die Effizienz verringert und eine Unterbrechung des Startvorgangs verursacht wird.

Ein proaktiver Zeitplan für die vorbeugende Wartung der Pilotventilfilter während des ersten Betriebsjahres der Anlage wird dringend empfohlen. In der Regel wird empfohlen, das Filterelement auszutauschen, anstatt es zu reinigen, da Magnetit dauerhaft im Filter eingebettet sein kann und durch Reinigung nicht entfernt werden kann. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, beim Kauf des POSV vom Ventilhersteller Doppelfilter anzugeben. Diese Option reduziert Ausfallzeiten, da sie die Wartung eines Filters ermöglicht, während das Ventil in Betrieb bleibt, indem einfach auf den Ersatzfilter umgeschaltet wird. In jedem Szenario wird immer ein vorbeugender Wartungsplan empfohlen, auch bei einer Doppelfilteroption.

Da GuD-Kraftwerke heute zu Spitzenleistungseinheiten umgebaut werden und die Zeit bis zum Erreichen der vollen Stromerzeugungslast verkürzt werden muss, treiben die Betreiber die Rampenraten aggressiver als je zuvor voran. Beim Einschalten der Gasturbine führt der Anstieg der Abgastemperatur dazu, dass sich das Wasser im Economizer ausdehnt, was zu einem schnellen Druckanstieg im Inneren der Einheit führt. Anstiegsraten von bis zu 20 bar/Sekunde (300 psi/Sekunde) wurden in vielen Anlagen erlebt, die sich heute umwandeln und in Betrieb nehmen.

Diese Anstiegsraten schlagen mit einem Druckstoß – einem Hammer – auf das Ventil ein, der über die Bereiche hinausgeht, für die POSVs entwickelt wurden. Konstruktionsbedingt besteht eine Strömungswegbeschränkung vom POSV-Einlass zur Pilotventilkuppel, um einen kompensierenden Domdruck zu bewältigen, was zwangsläufig zu einer Zeitverzögerung von Mikrosekunden zwischen dem Druckanstieg im Pilotventil und dem auf das Pilotventil wirkenden Einlassdruck führt Sitz. Ein solch schneller Druckanstieg kann zum Rattern des Pilotventils selbst führen, was dann zum Rattern des Hauptventils führt, was zu Schäden sowohl an den Pilot- als auch an den Hauptventilkomponenten führt.

Ebenso steigt der Druck im Economizer schlagartig an, wenn die Förderpumpe eingeschaltet wird, was zu schnellen Druckspitzen im Economizer führt. Diese schnellen Druckspitzen verursachen einen Wasserschlag, einen Druckstoß, der entsteht, wenn das Wasser in Bewegung ist und plötzlich anhalten oder die Richtung ändern muss. Der Impuls der Flüssigkeit, die abrupt stoppt oder ihre Richtung ändert, erzeugt eine Druckwelle, die sich durch die Medien im Rohrsystem ausbreitet und alles in diesem geschlossenen System erheblichen und schädlichen Kräften aussetzt.

2. Der Pilotmessleitung kann ein Druckdämpfer hinzugefügt werden, um den Druck in Systemen zu dämpfen, die anfällig für Druckstöße sind. Mit freundlicher Genehmigung: Baker Hughes

Die beste Lösung, um die Probleme eines schnellen Druckanstiegs anzugehen, besteht einfach darin, die Anstiegsraten so weit wie möglich zu reduzieren. Eine Verlangsamung von 20 bar/Sekunde auf 10 bar/Sekunde kann die Schwere des Aufpralls drastisch reduzieren, bis zu dem Punkt, an dem Druckdämpfungsfunktionen, wie z. B. ein Dämpfer, der Wirkung des Hammers standhalten können. Durch die werkseitige Installation eines Druckdämpfers in der Pilot-Sensorleitung (Abbildung 2) können die Auswirkungen von Wasserschlägen im Rohrleitungssystem absorbiert und der Druck vor Eintritt in das Pilotventil gedämpft werden. Diese Lösung ermöglicht eine reibungslose und stabile Druckkommunikation vom Pilotventil zum Hauptventil und eliminiert Rattern im Pilot- und Hauptventil. Es empfiehlt sich, beim Systemdesign den POSV-Hersteller bezüglich der Grenzwerte für die Druckanstiegsrate und ggf. Empfehlungen für die Installation des Überspannungsschutzes zu konsultieren.

Das ASME BPVC Section I-Komitee erkannte die Notwendigkeit von Codeänderungen an Economizern, um diese Anwendungsherausforderungen zu bewältigen. Die jüngsten Änderungen am ASME BPVC Abschnitt I-Code von 2017 ermöglichen es Economizern nun, flüssigkeitszertifizierte Ventile mit einer Größe von 10 % Akkumulation zum Schutz vor Überdruck zu verwenden. Durch diese Änderung können direkt federbelastete, flüssigkeitszertifizierte Sicherheitsventile verwendet und doppelt zertifiziert werden, um sowohl die ASME-Anforderungen Abschnitt I als auch Abschnitt VIII zu erfüllen. Diese Änderungen bringen die Ventilkapazitäts- und Leistungsanforderungen in Einklang mit den Druckentlastungsprodukten, die Hersteller für diese anspruchsvolle Anwendung anbieten können.

Es ist jedoch wichtig zu bedenken, dass federbelastete Ventile aufgrund von Einschränkungen bei der Federkonstruktion häufig nicht dafür ausgelegt sind, die gleichen Druckgrenzen einzuhalten wie vorgesteuerte Ventile. Aufgrund des Bedarfs an Ventilen mit höherem Druck und größerer Öffnung für die heute entwickelten HRSGs sind POSVs möglicherweise das einzige Produkt, das von Ventilherstellern für Economizer-Anwendungen mit höherem Druck angeboten werden kann. ■

—Matt Byers ist Produktmanagementleiter für Consolidated Valves bei Baker Hughes, einem GE-Unternehmen; und Hari Nair ist Direktor für Energiewirtschaft bei Baker Hughes, einem GE-Unternehmen.

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