Aktuell / 24.06.2015

Nickel-Legierungen ermöglichen höhere Temperaturen im Kraftwerk

Projektleiter Klaus Metzger am Leitstand des Grosskraftwerk Mannheim. Bild: Christina Geimer, BINE Informationsdienst

Höhere Temperaturunterschiede können den Wirkungsgrad von Kraftwerken steigern und somit die CO2-Emissionen senken. Nach unten geben die Außen- beziehungsweise Umgebungstemperaturen die Grenzen vor, nach oben die Materialeigenschaften. Im Forschungsvorhaben HWT II (Hochtemperatur-Werkstoff-Teststrecke II) untersuchten Experten aus verschiedenen Bereichen der Industrie, des Mittelstandes, der Wissenschaft und der Gutachter, wie sich dickwandige Rohrleitungs- und Armaturenbauteile bei einer geforderten flexiblen Fahrweise mit Temperaturen von bis zu 725 °C  verhalten. Als Materialien setzen die Verbundpartner überwiegend auf Nickel-Legierungen. Die Betriebstemperatur der meisten Dampfkraftwerke liegt derzeit bei rund 530 °C.

 

Im Jahr 2011 haben die Betreiber des Grosskraftwerks Mannheim (GKM) die Teststrecke HWT II mit neuen Werkstoffen für ein Hochtemperaturkraftwerk errichtet und in Betrieb genommen. Jetzt haben sie wichtige Ergebnisse zu den höher belasteten dickwandigen Bauteilen geliefert – die überwiegend positiv ausfallen. Die Teststrecke hat mehr als 2500 An- und Abfahrvorgänge durchlaufen und absolvierte dabei rund 10.000 Betriebsstunden mit Heißdampftemperaturen von mehr als 700°C. Während des Betriebs durchlief die Teststrecke 14 Temperaturzyklen pro Tag. Dabei wurden Temperaturbereiche zwischen 725 °C und 400 °C abgefahren. Mit den häufigen Lastwechseln stellten die Ingenieure einerseits eine flexible, dynamische Fahrweise nach, provozierten auf der anderen Seite aber bewusst Materialveränderungen beziehungsweise Schäden wie Risse in Schweißnähten und Grundwerkstoff, um sich ein besseres Bild von Schwachstellen machen zu können. Projektleiter Klaus Metzger gab sich zufrieden: „Wir hatten das Ziel, die eingesetzten Komponenten so zu stressen, dass Schädigungen infolge von Materialermüdung eintreten damit wir die Schäden analysieren und validieren können. In einigen Anlagenteilen hielten die Materialien weit besser als erwartet.“ 


Der Betrieb bei Temperaturen von 725 °C verlief über die Projektlaufzeit von Anfang 2011 bis Mai 2015 ohne gravierende Fehler beziehungsweise Ausfälle, die mit den hohen Temperaturen in Zusammenhang standen. Doch das zu erreichen bedurfte einer gewissenhaften Planung, Herstellung und Montage, sowie einer exakten Regelung der Anlage. Im Testbetrieb strömten ca. 2,5 Kilogramm Heißdampf pro Sekunde durch die Rohre. Bei der Entnahme aus dem regulären Kreislauf betrug die Temperatur 530 °C bei einem Druck von 170 bar und wurde dann im Kessel auf 725 °C überhitzt. Die Temperaturkontrolle war ein wesentlicher Punkt, der Anlagenregelung, sollte sie doch innerhalb einer Toleranz von +/- 1,5 Grad liegen. So ließ sich das Werkstoffverhalten mit fortgeschrittenen numerischen Verfahren genau beschreiben und überprüfen. Weitere Punkte der Regelung: die kontrollierte Dampf- und Wassereinspritzung  mit mehreren Ventilen gleichzeitig, zur Erzeugung von thermischer Wechselbeanspruchung und die Reduzierung von Temperatur und Druck bei Rückführung des Dampfes in den regulären Kraftwerksbetrieb.

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