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Vorsicht! Wenn Sie ältere Turbinen nachrüsten, rüsten Sie die Gasregelventile auf

Jul 02, 2023Jul 02, 2023

Aufgrund gesetzgeberischer Maßnahmen in den gesamten USA ist die Beschaffung von Genehmigungen für erdgasbetriebene Greenfield-Kraftwerke zunehmend zu einer Herausforderung geworden. In New York beispielsweise verweigerten Staatsbeamte die Genehmigungen für zwei geplante erdgasbetriebene Kraftwerke, weil sie als Hindernisse für die Erreichung der Treibhausgasemissionsziele angesehen wurden.

Im Jahr 2020 strich die New Mexico Public Regulation Commission einen Plan der El Paso Electric Company zum Bau eines neuen Erdgaskraftwerks, da dies die Ziele der Regierungsbeamten für saubere Energie auf den Kopf stellte. Und in Kalifornien hat die Energieversorgungskommission eine uneinheitliche Botschaft über die Annahme von Vorschlägen für neue Gaskraftwerke abgegeben.

Teilweise als Reaktion auf diese Entwicklungen haben Erstausrüster (OEMs) von Gasturbinen eine Reihe von Upgrades und Nachrüstpaketen eingeführt, um die Zuverlässigkeit, Flexibilität, Effizienz und Emissionen der bestehenden Turbinenflotte des Landes zu verbessern. Natürlich schwankt die Solar- und Windenergie je nach Wetterlage. Fachleute aus der Energiebranche glauben, dass die Modernisierung von Gasturbinen von entscheidender Bedeutung ist, um angemessene Stromtarife aufrechtzuerhalten und eine stetige Stromversorgung amerikanischer Haushalte und Unternehmen sicherzustellen. Und trotz des Wachstums von Wind- und Solarparks sowie Wasserkraft stellt das World Resources Institute fest, dass „Erdgas in den kommenden Jahren eine bedeutende Rolle im zukünftigen Strommix des Landes spielen wird.“

Um diese Rolle zu spielen, müssen Erdgasturbinenbetreiber und Anlagenbesitzer, deren Ausrüstung große Teile des Netzes mit Strom versorgt, Folgendes tun:

Um diesen Bedenken Rechnung zu tragen, verkaufen Turbinenhersteller verbesserte Steuerungstechnik als Nachrüstpakete an Kraftwerke. Diese Verbesserungen ermöglichen eine Verlängerung der Lebensdauer, die weit über die ursprünglichen Erwartungen von 20 Jahren hinausgeht. Die meisten Turbinen, die für diese Modernisierungen vorgesehen sind, sind seit 10 bis 25 Jahren in Betrieb. Die Hersteller statteten diese Turbinen ursprünglich mit hydraulisch betätigten Steuervorrichtungen aus, die für den Betrieb mit den zum Zeitpunkt der Inbetriebnahme angebotenen Steuersystemen ausgelegt waren.

Eine Turbine benötigt ihre Gasregelventile – und Leitschaufelantriebe –, um Befehle vom Steuersystem in eine mechanische Position umzusetzen und letztendlich den Erdgas- und Luftstrom zur Turbine bei unterschiedlichen Lasten und Umgebungsbedingungen zu regulieren. Darüber hinaus lässt die Art dieser Systeme keine Möglichkeit für Redundanz auf der Basis einer übergeordneten Baugruppe zu. Redundanz kann nur auf Komponentenebene erreicht werden, vor allem bei elektrischen Teilen. Bei dieser kritischen Ausrüstung handelt es sich um einen Single-Point-Fehler für die Anlage.

Um die Vorteile der verbesserten Steuerungstechnologie nutzen zu können, stellen die Betriebsbedingungen höhere Anforderungen an die Gas- und Leitschaufelbetätigungssysteme. Beispielsweise kann eine verbesserte Steuerungstechnik Anpassungen in Millisekunden statt in Sekunden vornehmen. Dies verleiht den Gasregelventilen eine höhere Dynamik, erhöht die Schwingung und verändert das Bewegungsprofil gegenüber den ursprünglichen Konstruktionskriterien des Turbinenherstellers. Dies kann zu einem beschleunigten Verschleiß der Servoventile, Aktoren oder der Gasventile selbst führen. Da es sich hierbei um Geräte mit Einzelpunktausfall handelt, sollten Turbinenbetreiber große Bedenken haben, dass diese Vorhersagbarkeit verloren geht.

Während die Hersteller Betätigungssysteme mit mehreren Zoll Hubweg entwickeln, stellen sich die meisten Turbinen auf eine Position von 60 bis 80 Prozent Hub ein und passen sich dann um diesen Sollwert herum an, um eine optimale Leistung zu erzielen. Diese winzigen Anpassungen erzeugen ein Mikrobewegungsprofil, das innerhalb eines sehr engen Hubbandes oszilliert und Kolbenringe, die Zylinderbohrung und andere Komponenten verschleißt. Über Jahre hinweg hatten diese Komponenten in der Regel eine Lebensdauer von mehr als fünf Jahren. Mit der verbesserten Steuerungstechnik haben die neuen Betriebsbedingungen die Lebensdauer auf nur ein Jahr, manchmal Monate, verkürzt. Bedenken Sie, dass mehrere OEM-Upgrades auch den Hauptinspektionszyklus des Turbinentriebwerks verlängern. Eine Verkürzung der Regelventil-Überholungsintervalle ist für das Endziel kontraproduktiv.

Sobald der Verschleiß einen bestimmten Punkt erreicht, wirken die entstehenden Partikel als abrasiver Schmutz und beschleunigen den Verschleiß, bis ein Versagenspunkt erreicht wird. Das Verhältnis zwischen Verschleiß und Zeit ähnelt eher einem „Hockeyschläger“-Profil, sodass der Anlagenbesitzer weniger Zeit hat, Wartungsteams für Reparaturen und/oder Austausch zu mobilisieren.

Anlagenbesitzer implementieren verschiedene Strategien als Gegenmaßnahmen zu den Problemen im Zusammenhang mit der Modernisierung der Brennstoffkontrolltechnologie. In einigen Fällen haben Anlagenbesitzer „kurzzyklische“ Wartungsarbeiten an diesen Geräten durchgeführt (z. B. bei Inspektionen des Heißgaspfads). Das Steuersystem kann es ermöglichen, die ausgehenden Signale zu filtern oder eine „Totzone“ hinzuzufügen, um Schwingungen zu entlasten. In manchen Fällen könnte ein Turbinenbesitzer einfach eine bestimmte Funktion ausschalten.

Strategie Nr. 1 – Metall durch Kunststoff ersetzen. Hersteller von Betätigungssystemen und Gasventilbaugruppen haben unterschiedliche Wege gewählt, um die Probleme zu lösen, die sich aus der verbesserten Steuerungstechnologie ergeben. Um die Vorhersagbarkeit zu verbessern und das Verschleißprofil wieder in eine linearere Beziehung zu bringen, haben einige Hersteller die traditionellen Metallkolbenringe durch technische Kunststoffe ersetzt. Dieser Ansatz schont die Oberfläche der Zylinderbohrung durch die Einführung eines weicheren Ringmaterials. Wenn der Ring verschleißt und seine Integrität verliert, entsteht kein Kollateralschaden an der Zylinderwand.

Der Nachteil dieses Ansatzes ist eine Verkürzung des idealen Überholungsintervalls und ein geringerer Widerstand gegen Verunreinigungen, die durch den Hydraulikflüssigkeitsstrom eingebracht werden. Um die Bohrung zu erhalten, werden die Ringe geopfert, was zu einem leicht beschleunigten Verschleiß führt, was die Lebensdauer zwischen den Überholungen verkürzt.

Strategie Nr. 2 – Konzentration auf das Aktuatordesign. Einige Hersteller haben eine zweite Generation von Aktuatoren mit verlängerter Lebensdauer eingeführt, die über eine verbesserte dünne, dichte Chrombeschichtung verfügen, die etwa dreimal dicker ist als die erste Generation. Bei diesen Konstruktionen der zweiten Generation wurden keine Änderungen an den Kolbenringmaterialien vorgenommen. Feldversuche haben eine deutliche Verbesserung gezeigt und die Möglichkeit, das Ziel von 64.000 Betriebsstunden vor der Überholung zu erreichen. Moog hat diese Beschichtung der zweiten Generation kürzlich in sein Standard-Aktuatordesign für GE-Turbinen integriert und wird diese Verbesserung auch in seine Aktuatoren für Siemens- und Mitsubishi-Turbinen implementieren.

Ein weiterer potenzieller Verschleißfaktor liegt im Ventiloberteil und den Packungsbaugruppen des Prozesses. Ältere Ventile ohne selbsteinstellende, belastete Packungen müssen möglicherweise häufiger nachgezogen werden, um Gaslecks zu vermeiden. In einigen extremen Fällen kann die Packung so stark abgenutzt sein, dass Wartungsteams die Komponenten neu aufbauen müssen. Moog and Fisher, Teil von Emerson Process Management, hat zuvor ein 64K-Upgrade-Paket für GE-Turbinen entwickelt, das nachweislich beschleunigten Verschleiß und Zwischenwartungen verringert.

Strategie Nr. 3 – Hydraulik gegen Elektro tauschen. Ein anderer Ansatz besteht darin, die hydraulischen Systeme durch elektrische Technologie zu ersetzen, wodurch das Verschleißproblem möglicherweise nicht vollständig behoben wird. Die Umsetzung dieser Strategie erfordert längere Ausfallzeiten und eine erhebliche Kapitalinvestition, die manchmal 1 Million US-Dollar erreicht. Das ist zwar ein hoher Preis, doch ein erzwungener Ausfall könnte Hunderttausende Dollar pro Tag kosten.

Diese Strategie wird wahrscheinlich bei Anwendungen mit geringerer Kraft effektiver sein als bei Anwendungen mit hoher Kraft, die in der heutigen Klasse von Jumbo- und Großturbinen zu sehen sind. Mikrobewegungen sind eine bekannte Fehlerquelle für fettgeschmierte Hochleistungs-Kugelumlaufspindel-Elektroantriebe. Die Rotations- und Linearbewegungsmechanik muss für eine effektive Kugelschmierung ausreichend weit gedreht werden. Mikrobewegungen und Schwingungen führen dazu, dass schwere Lasten ohne ausreichende Schmierung über einen längeren Zeitraum hinweg Hitze erzeugen. Ohne die Verwendung spezieller Keramikbeschichtungen oder alternativer Schmiermethoden können die Kugelumlaufspindeln festfressen und schließlich festfressen.

Die Upgrade- und Nachrüstpakete der Turbinenhersteller bieten Vorteile wie Effizienz und längere Motorlebensdauer. Allerdings können diese Pakete nach der Implementierung zu erheblichen Problemen führen, sogar zu Ausfällen von Zusatzgeräten. Erschwerend kommt hinzu, dass viele Erdgaskraftwerke mehrfach verkauft wurden. Die ursprünglichen Eigentümer sind möglicherweise nicht mehr die Betreiber. Dies wiederum bedeutet, dass die neuen Eigentümer und Betreiber der Turbinen nicht unbedingt wissen oder überhaupt darüber informiert werden, dass die oben genannten Upgrade- und Nachrüstpakete keine Modernisierung der Gasventile der Turbine beinhalten. Unabhängig von der Eigentümergeschichte einer Turbine müssen Turbinenbetreiber die Gasregelventile und Stellglieder ihrer Anlage aufrüsten, um den Kraftstoffverbrauch zu senken und Ausfälle zu vermeiden.

Steve Beddick ist Marktmanager für Stromerzeugung bei Moog Inc., einem weltweiten Entwickler, Hersteller und Integrator von Präzisionssteuerungskomponenten und -systemen für Verkehrsflugzeuge, Satelliten und Industriemaschinen. Er verfügt über mehr als 20 Jahre Erfahrung in der Verwaltung, Vermarktung und dem Verkauf technischer Geräte. Steve erwarb seinen Bachelor in Elektrotechnik am Grove City College. Kontaktieren Sie ihn unter [email protected]

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