Kombiniert

Schäden, die in Dampferzeugern durch das Eindringen von Verunreinigungen im Normalbetrieb entstehen können, werden vielfach diskutiert.

Von Brad Buecker, Mitherausgeber, und Dan Dixon, Projektingenieur, Lincoln Electric System

Anmerkung des Autors: Viele Betreiber und technisches Personal von Dampfkraftwerken sind sich bewusst, dass chemische Störungen während des normalen Betriebs schwere Schäden an Kesseln, Dampfsystemen und Turbinen verursachen können. Die hohen Temperaturen und Drücke verstärken die Auswirkungen des Eindringens von Verunreinigungen erheblich. Allerdings werden die schwerwiegenden Schäden, die bei Stillständen und anschließenden Inbetriebnahmen auftreten können, oft übersehen. In der Energiewirtschaft kommt es mittlerweile regelmäßig zu Lastwechseln, da viele Anlagen Lastwechseln folgen, die durch erneuerbare Energiequellen erzeugt werden. Verschärft wird das Problem durch die zunehmende Verbreitung von Kombikraftwerken als Ersatz für Kohlekraftwerke. Das Ein- und Ausschalten dieser Einheiten gehört in vielen Anlagen grundsätzlich zum Standardverfahren.

Im Jahr 2012 habe ich gemeinsam mit Dan Dixon, früher bei Lincoln Electric System und jetzt beim Electric Power Research Institute (EPRI), einen Artikel über HRSG-Layup und Startup-Chemiekontrolle verfasst. Die in diesem Artikel vorgestellten Ideen sind immer noch durchaus gültig, daher dieser erneute Beitrag auf der Power Engineering-Website. Bitte bedenken Sie, dass jede Einheit anders ist. Daher müssen die im Artikel dargelegten Konzepte von Fall zu Fall bewertet werden, wobei die Sicherheit stets im Vordergrund stehen muss.

Schäden, die in Dampferzeugern durch das Eindringen von Verunreinigungen im Normalbetrieb entstehen können, werden vielfach diskutiert. Bei Systemen, die zwar ein- und ausgeschaltet, aber nicht ordnungsgemäß heruntergefahren, in Betrieb genommen oder in Betrieb genommen werden, sind jedoch sehr schwerwiegende Schäden möglich. Kombikraftwerke sind aufgrund der typischen zahlreichen An- und Abschaltungen besonders anfällig für diese Probleme. In diesem Artikel werden die wichtigsten Themen im Hinblick auf die Offline-Chemie untersucht.

Sowohl konventionelle Dampferzeuger als auch Abhitzedampferzeuger (HRSG) sind ein komplexes Labyrinth aus Wasserwandrohren, Überhitzer- und Zwischenüberhitzerrohren, Kesseltrommeln und anderen Geräten. Wenn eine Einheit aufgrund verringerter Lastanforderungen oder anderer Probleme vom Netz genommen wird, verringert sich das Volumen des Wassers in den Kreisläufen. Durch diese Volumenreduzierung entsteht im System ein leichter Unterdruck, der wiederum Außenluft ansaugt. Mittlerweile ist zumindest an den Wasser-Luft-Grenzflächen ein stagnierender Zustand mit Sauerstoffsättigung festgestellt worden.

Ein Sauerstoffangriff kann aus mehreren Gründen äußerst schwerwiegend sein. Der Korrosionsmechanismus selbst kann in Bereichen mit hoher Sauerstoffkonzentration zu starkem Metallverlust führen.

Der Angriff tritt oft in Form von Lochfraß auf, wobei die konzentrierte Korrosion in kurzer Zeit zu einem Eindringen in die Wand und zu Geräteausfällen führen kann. Von großer Bedeutung ist auch, dass durch den Offline-Sauerstoffangriff Korrosionsprodukte entstehen, die dann beim Anfahren auf den Dampferzeuger übertragen werden. Die Ablagerung von Eisenoxiden in den Wasserwandrohren führt zu einem Verlust der thermischen Effizienz und schafft, was am wichtigsten ist, Stellen für Korrosion unter Ablagerungen. Zu diesen Mechanismen können sehr heimtückische Wasserstoffschäden, [1] saure Phosphatkorrosion in unsachgemäß behandelten Einheiten und ätzende Aushöhlung gehören.

Eine andere Methode, mit der Sauerstoff in Dampferzeuger eindringen kann, ist beim Anfahren, wenn gespeichertes Kondensat oder frisches entmineralisiertes Wasser zum Befüllen oder Nachfüllen des Kessels benötigt wird. Sehr oft wird hochreines Wasser in atmosphärisch belüfteten Lagertanks gespeichert. Das Wasser absorbiert Sauerstoff und Kohlendioxid und kann sich sogar mit diesen Chemikalien sättigen. Wenn das Make-up in einen Kaltdampferzeuger eingespritzt wird, kommt es zu einem zusätzlichen Angriff.

Im Kombikraftwerk Terry Bundy von Lincoln Electric System (LES) hat das Versorgungspersonal mehrere der wirksamsten Techniken implementiert, um das Eindringen von Sauerstoff und Korrosion zu verhindern. Wir werden diese Techniken sowie einige Alternativen untersuchen, die ebenfalls effektiv sein können.

An erster Stelle steht die Stickstoffüberlagerung während der letzten Phasen der Abschaltung und der anschließenden kurzfristigen Stilllegungen. Die Erfahrung hat gezeigt, dass die Einführung von Stickstoff an wichtigen Punkten im System, bevor der Druck vollständig abgefallen ist, das Eindringen von Luft minimiert. Während das System dann weiter abkühlt, dringt nur Stickstoff ein, keine sauerstoffhaltige Luft. Zu den wichtigsten Punkten für den Stickstoffschutz in HRSGs gehören der Verdampfer, der Economizer und die Speisewasserkreisläufe.

Bei Terry Bundy wird der Primärstrom von zwei GE LM 6000-Verbrennungsturbinen und zwei Nooter-Eriksen-Doppeldruck-HRSGs (keine Zwischenüberhitzung) erzeugt, die eine 26-MW-Dampfturbine speisen. Bei der Speisewasseraufbereitung handelt es sich um eine Oxidation aller flüchtigen Stoffe [AVT(O)] mit Ammoniumhydroxid-Einspritzung, um den pH-Wert des Speisewassers in einem Bereich von 9,6 bis 10 zu halten. Die Hochdruckverdampferchemie basiert auf den Phosphatkontinuumsrichtlinien von EPRI, mit Trinatriumphosphat als die einzige Phosphatart und Kontrolle innerhalb eines Bereichs von 1 bis 3 Teilen pro Million (ppm). Der pH-Kontrollbereich des HP-Verdampfers liegt zwischen 9,5 und 10. Die Konzentration an freier Lauge wird bei oder unter 1 ppm gehalten, um das Risiko einer Aushöhlung der Lauge zu minimieren.

Nach dem frühen Betrieb der Kombikraftwerke entdeckte das Anlagenpersonal Sauerstofflochfraß in einem der Hochdruckverdampfer. Der erste Schritt zur Lösung dieses Problems war die Installation eines Stickstoffschutzsystems im Jahr 2005. Eine häufig gestellte Frage ist, wie Stickstoff am besten gespeichert oder erzeugt werden kann. Sicherlich kann es aus Stickstoffflaschen bereitgestellt werden, die von örtlichen Gasversorgungs- oder Schweißfirmen bereitgestellt werden, und flüssiger Stickstoff ist eine weitere Möglichkeit. Das LES-Personal entschied sich für eine andere Methode: die Stickstofferzeugung über ein Druckwechseladsorptionssystem (PSA).

Der Prozess nutzt ein Kohlenstoffmolekularsieb (CMS), das beim Einleiten von Druckluft unter hohem Druck Sauerstoff, Kohlendioxid und Wasserdampf adsorbiert, Stickstoff jedoch durchlässt. Natürlich kann der Stickstoff dann in Behältern gesammelt und bei Bedarf verwendet werden. In einem vorgewählten Intervall wird der Druck aus der Einheit abgelassen, sodass O2, CO2 und H2O aus dem Material desorbieren können. Zu diesem Zeitpunkt werden diese Gase in die Atmosphäre abgelassen. Die folgende Tabelle zeigt die Stickstoffreinheit dieses Systems als Funktion der Produktionsrate.

Der Terry Bundy N2-Generator versorgt die LP- und HP-Trommeln während des Nasslaminierens mit Stickstoff mit einem Druck von 5 psig, und der Stickstoff wird verwendet, um beim Entleeren des Trockenlaminats Wasser aus einem HRSG zu „drücken“. Während des Trockenaufbaus wird ein Stickstoffdruck von 5 psig aufrechterhalten, sofern keine größeren Rohrarbeiten erforderlich sind. Ein offensichtliches Hauptanliegen bei der Stickstoffüberlagerung und der Grund für deren Ablehnung in einigen Anlagen betrifft die Sicherheit. Natürlich ist elementarer Stickstoff nicht giftig, da er 78 Volumenprozent unserer Atmosphäre ausmacht. Allerdings kann eine Person, die einen geschlossenen Raum betritt, in dem der Stickstoff nicht entfernt wurde, aufgrund von Sauerstoffmangel fast augenblicklich ohnmächtig werden. Der Tod kann innerhalb von Minuten eintreten.

Eine Alternative zur Druckwechseladsorption ist die Gastrennung mittels Membrantechnologie. In diesen Systemen strömt Druckluft entlang spezieller Hohlfasermembranen. Das Material lässt Sauerstoff und Wasser durch jede Membran hindurch, N2 dringt jedoch nicht ein und kann an einer Auslassöffnung gesammelt werden. Aus der Literatur geht hervor, dass mit diesem Verfahren 99,5 Prozent reiner Stickstoff erzeugt werden kann.

Ein weiterer wichtiger Punkt im Hinblick auf die Nass-Layup-Chemie ist die periodische Wasserzirkulation. Dies minimiert stagnierende Bedingungen, die Sauerstoff in lokalisierten Bereichen konzentrieren und Lochfraß verursachen können.

Beide Terry Bundy HRSGs verfügen über Umwälzsysteme im Hochdruck- und Niederdruckkreislauf für den Einsatz bei nassen Layups. Jeder Kreislauf nutzt eine von zwei redundanten Vorwärmer-Umwälzpumpen, die normalerweise während des HRSG-Betriebs in Betrieb sind, um die Korrosion externer Kreisläufe durch Säuretaupunkt zu verringern. Jede Pumpe liefert etwa 100 gpm Durchfluss pro Kreislauf. Ventile und Rohrleitungen wurden hinzugefügt, um einen nahtlosen Übergang von der Layup-Zirkulation zum Normalbetrieb zu ermöglichen. Es stehen Proben-/Injektionssysteme zur Verfügung, mit denen Bediener die Layup-Chemie auf pH-Wert und gelösten Sauerstoff testen können (unter Verwendung kolorimetrischer Ampullen) und Ammoniumhydroxid injizieren können, wenn der pH-Wert erhöht werden muss. Darüber hinaus ermöglichen an jeder Kesseltrommel vorgenommene Modifikationen, dass das Stauwasser das Trommelleitblech umgeht, wodurch die Zirkulation gefördert und Kurzschlüsse über die Fallrohre minimiert werden. Die Pumpen werden typischerweise gestartet, sobald der Fassdruck weniger als 50 psig beträgt, und bleiben für die Dauer des Auflegens in Betrieb.

Sehr oft wird demineralisiertes Wasser in atmosphärisch belüfteten Lagertanks gelagert. So gelangt im Normalbetrieb und noch kritischer beim Kesselfüllbetrieb sauerstoffhaltiges Wasser in den Dampferzeuger. Im letzteren Fall kann der Zufluss von kaltem, sauerstoffgesättigtem Wasser zu erheblichen Schwierigkeiten führen. Eine mögliche Methode zur Minimierung dieses Problems besteht darin, den Sauerstoffeintritt in Lagertanks zu begrenzen. Dies ist jedoch normalerweise ein schwieriges Unterfangen. Die Mitarbeiter von Terry Bundy entschieden sich für eine andere Gastransfermembrantechnologie zur Aufbereitung von Kondensatrücklauf und Ergänzungswasser.

Der Prozess ähnelt dem oben beschriebenen Gas-Gas-Transfermembranprozess, in diesem Fall ist der Träger jedoch Wasser. Während die Flüssigkeit entlang der Hohlfasermembranen im Gefäß fließt, dringen Gase durch die Membranwände, das Wasser wird jedoch zurückgewiesen. Die Technologie ist in der Lage, die Konzentration gelösten Sauerstoffs auf weniger als 10 Teile pro Milliarde (ppb) zu reduzieren. Am wichtigsten ist, dass das System das Einbringen luftgesättigter Zusatzstoffe (wobei die Sauerstoffkonzentration 7,5 ppm betragen kann, was dem 75-fachen des empfohlenen Grenzwerts entspricht) während der Kesselfüllung verhindert.

Während meiner (Autor Buecker) mehr als 30-jährigen Tätigkeit in der Energiebranche oder meiner Zugehörigkeit zu ihr habe ich viele Fälle gesehen, in denen der Kondensator-Hotwell bei Ausfällen, bei denen das Kondensatorvakuum unterbrochen wurde und Luft eindrang, feucht blieb oder sogar stehendes Wasser enthielt der Kondensator und die ND-Turbine. Die Kombination aus einer feuchten Atmosphäre und den Salzablagerungen, die sich im Routinebetrieb auf den Schaufeln der ND-Turbine ansammeln, kann sehr schädlich sein. Mögliche Folgen sind Lochfraß und Spannungsrisskorrosion (SCC), zwei sehr schädliche Mechanismen.

Eine sehr praktische Methode zur Bekämpfung dieser Korrosion, die auch bei Terry Bundy angewendet wurde, ist die Einblasung von Trockenluft in den Kondensator bei allen Layups, außer bei kurzfristigen Layups (<72 Stunden).

Dieses System ist in der Lage, dem Kondensator und der Niederdruckturbine 700 Standardkubikfuß pro Minute (SCFM) Luft mit einer Temperatur von 100 °F und einer Luftfeuchtigkeit von 10 Prozent zuzuführen. Diese Strömung kann die relative Luftfeuchtigkeit innerhalb weniger Stunden von nahezu 100 Prozent auf weniger als 30 Prozent senken.

Im Jahr 2005 zeigten Trommelinspektionen erhebliche Lochfraßbildung. Nach dieser Inspektion wurden die oben beschriebenen Änderungen umgesetzt. Eine erneute Inspektion im Jahr 2008 ergab keine neuen Lochfraßstellen.

Die Überwachung des Eisengehalts mittels Partikelsammlung auf 0,45-Mikron-Filtern zeigte einen signifikanten Rückgang der Proben aus dem Kondensatpumpenauslass (CPD) sowie aus LP- und HD-Fässern. Schnellere Startups sind mittlerweile an der Tagesordnung. Die Kationenleitfähigkeit des Hauptdampfes sinkt bis zu 1,5 Stunden früher auf den empfohlenen Richtwert (0,2 µS/cm) und die CPD-Kationenleitfähigkeit bleibt konstant unter 0,1 µS/cm, während sie in der Vergangenheit bis zu 0,45 µS/cm ansteigen konnte. Von entscheidender Bedeutung ist, dass die Einheiten über längere Zeiträume im Nassaufbau belassen werden können, wodurch das Werk auf Wunsch des Disponenten sechs Stunden (im Vergleich zum Trockenaufbau) einspart, um die volle Auslastung zu erreichen.

1. Cycle Chemistry Guidelines for Shutdown, Layup and Startup of Combined Cycle Units with Heat Recovery Steam Generators, EPRI, Palo Alto, CA: 2006, 1010437.