Das Letzte und Kurzem

Die Reihe der Schaufeln der letzten Stufe (LSBs) im Niederdruckabschnitt (LP) einer Dampfturbine ist ein Schlüsselelement des Turbinendesigns, da sie die Gesamtleistung, die Abmessungen und die Anzahl der Gehäuse der Maschine definiert. In der Vergangenheit konzentrierten sich die Bemühungen zur Steigerung der Gesamteffizienz der Turbine auf die Abschnitte mit hohem und mittlerem Druck (HP und IP). In den letzten Jahren haben Turbinenhersteller jedoch auch begonnen, den Niederdruckabschnitt ins Visier zu nehmen, der bis zu 50 % der Gesamtleistung der Turbine erzeugen kann (Abbildung 1). Eine Möglichkeit, die Effizienz dieses Abschnitts bei bestimmten Abgasdruckwerten zu steigern, besteht darin, seine LSBs zu verlängern. Dadurch wird entweder die Anzahl der benötigten LP-Module verringert oder die Leistungsabgabe bei niedrigeren Kondensatordrücken für die gleiche Anzahl von Modulen erhöht.

1. Größter Mitwirkender. Der Niederdruckabschnitt kann bis zu 50 % der von einer Dampfturbine im Versorgungsmaßstab erzeugten Leistung ausmachen. Mit freundlicher Genehmigung von Bechtel Power Corp.

Der Vorstoß zur Verlängerung der LSBs kommt nicht nur von den Planern großer Kohlekraftwerke, sondern auch von Entwicklern relativ kleinerer Kombikraftwerke. Es gibt erhebliche Unterschiede zwischen Turbinen, die für kombinierte Zyklen und für konventionelle Dampfkraftwerke ausgelegt sind. Da bei der thermischen Auslegung eines Bottoming-Zyklus normalerweise keine Speisewassererhitzer zum Einsatz kommen, kann bei gleichem HD-Hauptdampfstrom der ND-Abdampfstrom in einem Bottoming-Zyklus bis zu 35 % größer sein als bei einer vergleichbar großen konventionellen Turbine. Darüber hinaus kann bei der Konstruktion von Bottoming-Anlagen eine Kanalfeuerung eingesetzt werden, um die Verringerung der Gasturbinenleistung bei hohen Umgebungstemperaturen oder zur Spitzenlast der Anlage auszugleichen, wenn dies wirtschaftlich gerechtfertigt ist. In den USA ist es durchaus üblich geworden, große Mengen zusätzlicher Feuerung einzusetzen, um die Leistung von Dampfturbinen nahezu zu verdoppeln.

In diesem Artikel werden die grundlegenden Merkmale des modernen interdisziplinären (aerodynamischen und mechanischen) LSB-Designs untersucht, einschließlich der immer größer werdenden Rolle komplexer CFD-Analysen (Computational Fluid Dynamics). Unser Ziel ist es zu untersuchen, wie sich der aktuelle Trend zur Verlängerung der LSBs auf die Leistung und den Betrieb von Turbinen auswirkt. Der Artikel schließt mit einem Testfall, der die realen Optionen beschreibt, die bei der Auswahl eines geeigneten LSB-Systems zur Verfügung stehen.

Das herkömmliche LSB-Design (Unterschalleinströmung an der Spitze der rotierenden Schaufel) erreicht aerodynamisch akzeptable Grenzen früher als die mechanischen Grenzen der Schaufel. Um diesen Mangel zu beheben, haben die Erstausrüster (OEMs) von Turbinen erhebliche Anstrengungen unternommen, um das Design stationärer und rotierender Schaufeln zu verstehen und zu verbessern. Änderungen gegenüber den bestehenden traditionellen Designgrenzen, wie z. B. der relative Überschallzufluss an der Spitze der rotierenden Schaufel, wurden in umfangreichen analytischen und experimentellen Versuchen bewertet, um die Benutzerakzeptanz zu gewinnen.

Nur eine vollständig entwickelte 3D-Stufenströmungsanalyse kann ein optimales Schaufelprofil liefern, mit dem die Verluste durch Stoßwellen, die aus der Überschallströmung resultieren, minimiert werden können. Die Genauigkeit der modernen 3D-Analyse als Vorhersagetool hat sich erheblich verbessert – sie kann nun nichtgleichgewichtige Kondensationsströme mit unterschiedlichen Dampffeuchtebedingungen und Phasenwechselschwankungen berücksichtigen.

Bei großen LP-LSBs ist die relative Austritts-Machzahl ein wichtiger Entwurfsparameter zur Beurteilung des Betriebsbereichs und der Abgasverluste. Je länger die Schaufel ist, desto höher ist die Ausgangs-Machzahl, was hauptsächlich auf einen starken Druckgradienten in der Mittelstufe zurückzuführen ist.

Abbildung 2 zeigt eine typische statische Druck- und Machzahlverteilung. Der niedrige Druck an der Nabe der rotierenden Schaufel (Ps1) erzeugt eine geringe Wurzelreaktion, die schließlich zur Strömungsablösung innerhalb der rotierenden Schaufel führt. Die Machzahl am stationären Schaufelaustritt (M1) weist einen sehr starken Gradienten auf, wodurch die Einlass-Machzahlen (Mw1) an der Nabe und Spitze der rotierenden Schaufel ansteigen. Der hohe Druck an der Spitze erzeugt hohe Absolutwerte der Austritts-Machzahlen an der Nabe der stationären Schaufeln und hohe relative Einström-Machzahlen an der Spitze und Nabe der rotierenden Schaufel, die Stöße im Rotordurchgang auslösen.

2. Das Feld verfolgen. Typische Machzahlen und statische Druckverteilung einer Dampfturbinenschaufel der letzten Stufe. Quelle: H. Stüer, ASME GT2005-68746

Ein echtes 3D-Design beeinflusst das Strömungsfeld, um diesen positiven radialen Druckgradienten zu „kontrollieren“ und seine schädlichen Auswirkungen zu vermeiden. Um dieses Ziel zu erreichen, stehen mehrere Optionen zur Verfügung, die kombiniert eingesetzt werden können.

Der Druckgradient hängt hauptsächlich von der Stromlinienkrümmung und der Wirbelgeschwindigkeit ab. In einer 2D-Analyse führt die Auswahl eines freien Wirbels zur Steuerung des Druckgradienten zu extrem verdrehten Rotorblättern mit niedrigem Naben-zu-Spitzen-Verhältnis und geringer Nabenreaktion, was zu hohen Austrittsverlusten führt. Eine Konstruktion, die auf der Verwendung eines erzwungenen Wirbels basiert, hat den Vorteil, dass die relative Einlassgeschwindigkeit der rotierenden Schaufel verringert wird.

Um jedoch ein wirklich optimiertes Strömungsfelddesign mit minimalen Verlusten zu erreichen, ist ein Ansatz erforderlich, der auf einer 3D-Analyse basiert. Häufig verwendete 3D-Formen sind als „Blade Lean“ und „Blade Sweep“ bekannt. Bei einer Konfiguration mit fester Nabe ist eine tangentiale Neigung definiert als die Verschiebung der Stapellinie tangential zur Druckseite. Eine Schaufelbewegung tritt auf, wenn die Stapellinie mit zunehmendem Schaufelradius zum Zufluss hin verändert wird.

Bei einigen Konstruktionen wird die LSB-Neigung tangential und axial angewendet. In Kombination mit der Konturierung des Strömungspfads reduziert die tangentiale Neigung der stationären Schaufeln den Druckgradienten am Ausgang der stationären Schaufeln, erhöht die Wurzelreaktion und ermöglicht ein geringeres Naben-/Spitzenverhältnis.

Durch die axiale Neigung der stationären Leitschaufeln wird der Abstand zwischen Leitschaufel und Schaufel an der Spitze vergrößert, wodurch Wassertröpfchen mehr Zeit zum Beschleunigen haben, bevor sie in die rotierende Schaufel gelangen. Diese Art der Beschleunigung mildert auch die Auswirkungen der Erosion auf die Schaufel. In einer anderen Anwendung wird die Stationäre Leitschaufeln neigen sich in tangentialer Richtung und drücken die Druckseite der Leitschaufel radikal nach innen. Aufgrund der Wirkung von Körperkräften in dieser Konfiguration führt der erhöhte Druck an den inneren Endwänden zu einer Verringerung der Geschwindigkeit und kleineren Druckgradienten, wodurch die Turbinensekundärseite reduziert wird Verluste. Bei einer kombinierten axialen und tangentialen Mageranordnung krümmen sich die stationären Leitschaufeln in Spannweitenrichtung, und die Druckseitenflächen schneiden sich in einem Winkel mit den Endwänden der Nabe und der Spitze. Dies verringert die Druckgradienten an den Wänden und verringert folglich die Sekundärströmungsverluste. Eine Statorschaufel, die Krümmung und Neigung kombiniert, ist die vorteilhafteste Konfiguration.

Abhängig von der Austritts-Mach-Zahl des Entwurfs an der stationären Schaufelnabe ist das Profil entweder konvergent für Unterschall- und Transsonik-Einlass-Mach-Zahlen bis zu 1,3 oder konvergent-divergent für höhere Mach-Zahlen. Eine Entscheidung zur Verwendung des konvergent-divergenten Profils muss auf den Ergebnissen einer detaillierten 3D-Analyse unter Design- und Off-Design-Bedingungen basieren und nicht auf der Berücksichtigung der Ausgangs-Mach-Zahl. Konvergent-divergente Durchgänge für stationäre Leitschaufeln wurden jedoch aufgrund ihrer Empfindlichkeit gegenüber variierenden Austrittsbedingungen, die während des Off-Design-Betriebs auftreten, nicht verwendet.

Aufgrund der auftretenden extremen Zentrifugalkräfte spielen auch mechanische Einschränkungen eine wichtige Rolle bei der Entwicklung neuer, längerer LSBs. Der zulässige Wert der radialen Zugspannung ist der wichtigste begrenzende Faktor für die Blattlänge. Weitere Grenzbelastungen sind die Biegespannung durch Dampfkräfte im Schaufelwurzelteil und die Zugspannung im Rotor durch Zentrifugalkräfte (Abbildung 3). Das mechanische Design längerer LSBs muss größeren Lasten und Änderungen der dynamischen Frequenzen Rechnung tragen. Es muss auch die Art der Verbindung zwischen Rotor und Rotorblatt, die Verringerung von Vibrationen und die Reduzierung von Leckageverlusten durch den Einsatz von Spannweitendämpfern und Rotorblattabdeckungen berücksichtigt werden.

3. Vierfuß. Diese 48-Zoll-Stahlschaufeln der letzten Stufe mit gebogenen Schwalbenschwänzen für den axialen Eintritt reduzieren das Gewicht des Rotors. Mit freundlicher Genehmigung von GE Energy

Für den Konstrukteur besteht das ultimative Ziel darin, die Turbine bei mäßiger Belastung zu betreiben und gleichzeitig einen konservativen Überdrehzahlspielraum beizubehalten. Unter der Annahme eines typischen hochfesten Stahls und einer zulässigen Spannung von etwa 90.000 psi würden die erwarteten maximalen Abgasringflächen für eine LSB-Reihe 130 Fuß2 (für eine 50-Hz-Anwendung) und 90 Fuß2 (für 60-Hz-Betrieb) betragen. Diese Bereiche ergeben Klingenlängen von 48 Zoll bzw. 40 Zoll für 50-Hz- bzw. 60-Hz-Installationen.

Allerdings hat der Marktdruck, die LSB-Länge zu erhöhen, Entwickler dazu veranlasst, Titanlegierungen anstelle von Edelstahl zu verwenden, um die zulässigen Belastungsniveaus zu erhöhen. Da die Legierungen weniger dicht (1,8-mal) und viel fester als Stahl sind, können Konstrukteure längere Schaufeln und größere Ringflächen herstellen. Beispielsweise ist die Streckgrenze von Ti-6Al-4V die gleiche wie die von 17-4PH-Stahl, aber das Gewicht von Titan beträgt nur 57 % des Gewichts von Stahl. Ein weiterer Vorteil der Verwendung von Titanlegierungen besteht in ihrer größeren Widerstandsfähigkeit gegenüber Feuchtigkeitsverlusten und -schäden. Der Nachteil ist, dass Klingen aus Titan viel teurer, spröder und anfälliger für Kratzer sind als Klingen aus rostfreiem Stahl. Derzeit nutzen Dampfturbinen-OEMs die Erkenntnisse aus der ersten Generation von Titanschaufeln bei der Entwicklung (unter Verwendung einer Kombination aus aerodynamischen und mechanischen Konstruktionstechniken) der zweiten Generation, die über eine um 10 bis 15 % größere Austrittsfläche verfügt.

Die 3D-Finite-Elemente-Analyse (FEA) ist zu einem unverzichtbaren theoretischen Werkzeug zur Validierung des endgültigen mechanischen Designs geworden, insbesondere zur Bestimmung der maximalen durchschnittlichen Spannung (erforderlich zur Definition der Übergeschwindigkeitsgrenzen) und der maximalen lokalen Spannungen (indikativ für die Lebensdauer der Rotorblätter bei niedriger Lastspielzahl). und Rissgefahr durch Korrosion).

Für die Sicherung der längsten LSBs ist derzeit die Bogeneinstiegstanne die am besten geeignete Konstruktion. Diese Konfiguration ermöglicht die Verwendung eines schlanken Rades und reduziert die Zentrifugalkräfte. Einige Hersteller verwenden die gabelförmige Wurzel mit unterschiedlicher Zähnezahl, abhängig von der erforderlichen Belastung. Häufig auftretende Fehler bei der Teilebearbeitung und der Bestimmung geeigneter Abstände zwischen den Schwalbenschwanzhaken und dem Rad führen zu einer ungleichmäßigen Lastverteilung und damit zu erhöhten lokalen Spannungen. Das Problem wird durch eine größere Klingenlänge verschärft.

Aeroelastische Instabilität, die unter extremen Bedingungen entweder im Bereich geringer Dampfströmung oder bei hohem Kondensatordruck auftritt, führt zu erheblicher Strömungsablösung an der Schaufelnabe, was zu Strömungsabrissflattern und Flattern der Schaufeln führt. Um die betriebliche Flexibilität zu verbessern und eine höhere Steifigkeit zu gewährleisten, sind benachbarte Rotorblätter miteinander verbunden. Die Klingen sind vollständig mit dem Klingenprofilkörper ummantelt. Um die Steifigkeit der gesamten Blattstruktur weiter zu erhöhen, sind die Blätter mit einem Dämpfer gekoppelt, einer integrierten Verbindungsnabe in der Mitte der Blatthöhe. Die Verwendung von Rotorblättern aus Titanlegierung mit reduzierten Dämpfungseigenschaften macht eine Umstellung der Rotorblattherstellung von der freistehenden auf die verzahnte Konstruktion unumgänglich.

Während des Turbinenbetriebs entdreht sich die Schaufel aufgrund der Zentrifugalkräfte elastisch, wodurch benachbarte Deckbänder und Dämpfer in Kontakt kommen. Bei Nenndrehzahl werden alle Messer zu einem durchgehenden Ring zusammengehalten. Im Vergleich zu herkömmlichen Konfigurationen weist diese Anordnung stabilere Schwingungseigenschaften auf: reduzierte Resonanz- und Schwingungsbelastungen und unterdrücktes Flattern. In einer Anwendung weisen Rotorblätter mit integriertem Deckband und Verbindungsvorsprüngen, die sich auf 70 % der Rotorblatthöhe befinden, eine zwei- bis dreimal geringere Vibrationsbelastung auf als freistehende Rotorblätter (Abbildung 4).

4. An der Hüfte verbunden. Design der Schaufelabdeckung und des Spannweitendämpfers in einer 48-Zoll-Stahlschaufel der letzten Stufe, die für den Betrieb bei 3.000 U/min ausgelegt ist. Mit freundlicher Genehmigung von GE Energy

Der Einsatz von Wanten und Snubbern ist nicht ohne Strafen möglich. Freistehende Schaufeln sorgen für eine effizientere periphere Wasserabscheidung als ummantelte Schaufeln. Die Snubber im Strömungskanal stören die Strömung, was zu zusätzlichen Verlusten und erhöhter Erosion aufgrund der lokalen Feuchtigkeitskonzentration führt.

Eine weitere Schwierigkeit, auf die die Konstrukteure fortschrittlicher, größerer LSBs stoßen, hängt mit der Bearbeitung der komplexen 3D-Form des Blattes zusammen. Das mechanische Design muss die „No-Speed“-Profilform bestimmen, die bei Nennbetriebsbedingungen die aerodynamische Designform erreicht. Die Herausforderungen beim mechanischen Design konzentrieren sich auf die Umwandlung des aerodynamischen Designs in eine maschinenbearbeitbare Form und die Bereitstellung ausreichender Spielräume für statische und dynamische Belastungen (Abbildung 5).

5. Drehen und schreien. Auch fortschrittliche aerodynamische Rotorblattkonstruktionen stellen eine Herausforderung bei der Herstellung dar. Abgebildet sind ein 40-Zoll-Stahlschild der letzten Stufe mit 3.600 U/min (L) und ein 48-Zoll-Löffel mit 3.000 U/min (R). Mit freundlicher Genehmigung von GE Energy

Fast 8 % der ND-Turbinenverluste sind auf ein „Nässephänomen“ zurückzuführen, das hauptsächlich auf die folgenden drei Ursachen zurückzuführen ist:

Die Schaufelkonstruktion muss daher einen Schutz vor Erosion durch Wassertropfen bieten.

Der Feuchtigkeitsgehalt des Dampfes variiert in einer Dampfturbine über den Lastbereich hinweg stark. Obwohl die durchschnittliche Dampffeuchtigkeit nicht höher als 10 % bis 12 % ist, kann die lokale Dampffeuchtigkeit insbesondere im Spitzenbereich deutlich höher sein. Je höher die Spitzengeschwindigkeit, desto gefährlicher ist die Wirkung des Wassers, das hinter dem Dampf zurückbleibt und auf die Klinge trifft.

Bei sehr langen LSBs stellt die herkömmliche Methode zum Schutz vor Wassererosion – die Verwendung von Stellite-Streifen, die auf die Rotorblattoberfläche gelötet werden – neue Herausforderungen mit sich. Die Stellite-Streifen erzeugen Diskontinuitäten im Schaufelprofil und erzeugen dadurch höhere Verluste als bei früheren Konstruktionen. Auch ein Bruch der Stellitstreifen könnte zu lokalen Schäden und Veränderungen der dynamischen Eigenschaften des Rotorblatts führen. Eine sehr teure Alternative zur Entfernung der Feuchtigkeit ist die interne Dampfheizung der Leitschaufeln. Eine weitere neue Methode zum Schutz vor Erosion ist das Laserhärten der Schaufeln. Diese Methode liefert ähnliche oder bessere Ergebnisse für Materialien mit einem pH-Wert von 17-4 im Vergleich zur Flammhärtung herkömmlicher Stähle.

Spannungsrisskorrosion (SCC) wird durch die Kombination von Zugspannung und einer korrosiven Umgebung verursacht. Jedes für Turbinenschaufeln und Rotoren verwendete Material muss die Auswirkungen von SCC berücksichtigen. Je weniger „aggressiv“ die Umgebung ist, desto höher sind die zulässigen Betriebsbelastungen. Da fortschrittliche LSB-Konstruktionen höhere Rotor- und Scheibenbelastungen aufweisen, müssen die Anforderungen an die Dampfreinheit strenger kontrolliert werden. Tabelle 1 stellt typische Kriterien dar, die zur Entstehung eines Plattenepithelkarzinoms führen.

Tabelle 1. Durchgreifen. Bedingungen, von denen bekannt ist, dass sie Spannungsrisskorrosion in Rotor- und Scheibenmaterialien von Niederdruckturbinen auslösen. Quelle: Bechtel Power Corp.

Bei der Bewertung der SCC-Bildung und -Ausbreitung ist es von entscheidender Bedeutung, den kombinierten Effekt von Materialeigenschaften (Stahlreinheit und Streckgrenze), Umgebung (Sauerstoff-, Kohlendioxid- und Chloridgehalt), Temperatur und Spannungsbedingungen zu berücksichtigen. Doch die vielfältigen möglichen Kombinationen aus erhöhter Zugspannung in großen LSBs und schlechter Dampfreinheit beim ersten Start erschweren die Vorhersage der Rissausbreitung. Die ausschließlich den Konstrukteuren zur Verfügung stehenden Werkzeuge zur SCC-Prävention legen eine niedrige, konservative Zugspannung für Scheibenoberflächen fest und reduzieren Spannungskonzentrationen. Nur der tatsächliche Einsatz vor Ort im Laufe der Zeit bestimmt die Fähigkeit des Designs, mit dem SCC-Phänomen umzugehen.

Bei Geschwindigkeiten über 600 Fuß/Sek. ist der Abgasverlust einer Dampfturbine proportional zum Quadrat des Verhältnisses des Volumenstroms durch die Turbinenabgas-Ringraumfläche. Bei geeigneten Gegendruckbedingungen wird eine bessere Leistung durch die Wahl einer größeren Auslassfläche erreicht (entweder durch Verringern des Nabendurchmessers und Erhöhen der Blattlänge oder durch Verringern der Blattlänge bei einem größeren Nabendurchmesser). Eine größere Austrittsfläche führt zu geringeren Dampfaustrittsgeschwindigkeiten und verringert dadurch die kinetische Energie des die Turbine verlassenden Dampfes. Das Ergebnis ist ein höherer Gesamtwirkungsgrad der Dampfturbine. Tabelle 2 listet große LSBs auf, die sich entweder in der Entwicklung oder im Betrieb für 50-Hz- und 60-Hz-Anwendungen befinden.

Tabelle 2. Es wird lange auf sich warten lassen. Entwicklungsstand der letzten Schaufelstufe (LSB) einer Dampfturbine. Quelle: Bechtel Power Corp.

Das vom OEM bereitgestellte Turbinen-Thermokit enthält Informationen zu den ND-Abgasverlusten in der traditionellen Form der „Abgasverlustkurve“. Diese Kurve gibt den spezifischen Enthalpieverlust für eine durchschnittliche Abgasdampfgeschwindigkeit an, die vom Turbinengegendruck und/oder dem Dampfstrom abhängt. Die Verwendung von Kurven erfordert bei einigen OEMs auch Korrekturen für den Feuchtigkeitsgehalt. Da die durchschnittliche Dampfaustrittsgeschwindigkeit eine Funktion des Volumenstroms für eine gegebene Geometrie ist, hängt ihr Wert sowohl vom Gegendruck als auch vom Dampfmassenstrom ab. Abbildung 6 zeigt eine Reihe von Abgasverlustkurven für verschiedene Abgasbereiche für eine Stichprobe von Dampfturbinen verschiedener OEMs. Der erhöhte Abgasverlust bei niedrigeren Abgasgeschwindigkeiten (weniger als 550 Fuß/Sek.), der bei niedrigen Teillastbedingungen oder hohem Gegendruck auftritt, ist auf die Bildung eines umgekehrten Wirbels an der Schaufelwurzel zurückzuführen.

6. Addieren Sie Ihre Verluste. Typische Abgasverlustkurven verschiedener Turbinenhersteller. Quelle: Bechtel Power Corp.

Die Entwicklung von oft unkonventionellen Schaufelprofilen der nächsten Generation mit großen Variationen entlang der Schaufelhöhe hat zu erheblichen Vorteilen hinsichtlich der Effizienz der Bühne und reduzierten Abgasverlusten geführt. Abbildung 7 zeigt die Abgasverluste für zwei Rotorblätter verschiedener OEMs mit nahezu identischem Abgas- und Rotorblattlängenbereich. Mit der Schlussfolgerung, dass das fortschrittlichere 3D-Profildesign (Kurve A) zu geringeren Abgasverlusten führt, liegen Sie richtig.

7. Verschiedene Wege. Abgasverlustkurven von zwei OEMs zeigen eine sehr ähnliche Abgasfläche und Schaufellänge. Quelle: Bechtel Power Corp.

Es ist zu beachten, dass die gesamte Abgasverlustkurve nicht nur die mit dem LSB verbundenen Verluste, sondern auch den Beitrag der Ablufthaube umfasst. Daher muss die Verbesserung der LSB-Effizienz mit einer geeigneten, effektiven aerodynamischen Gestaltung der Ablufthaube einhergehen.

Die kontinuierliche Weiterentwicklung von Turbinen im Allgemeinen und von LSBs im Besonderen stellt viele Herausforderungen für Ingenieure/Beschaffungs-/Bauunternehmer (EPC) dar, die für die Auswahl der Ausrüstung, deren funktionale Integration mit anderen Kraftwerkskomponenten innerhalb eines festen Preises und Zeitplans und die Gewährleistung der Gesamtleistung der Anlage verantwortlich sind obendrein.

Der EPC-Auftragnehmer muss sich auf seine Erfahrung und sein Fachwissen sowie seine frühere Projekterfahrung mit Turbinen-OEMs verlassen, wenn er im Namen des Kunden Entscheidungen zur Technologieauswahl trifft. Beispielsweise deckt die Erfahrung von Bechtel mit Dampfturbinen ein breites Spektrum von GuD- und konventionellen Dampfkraftwerken (Tabelle 3) auf der ganzen Welt ab und bietet einen guten Überblick über die typische Technologieauswahl, die für diese Anlagen getroffen wurde (Tabelle 4). Bei zwei der neueren Projekte werden Dampfturbinen unter überkritischen Bedingungen betrieben.

Tabelle 3. Erfahrung zählt. Erfahrungsprofil von Bechtel Power zu GuD-Dampfturbinen. Quelle: Bechtel Power Corp.

Tabelle 4. Ein Teil der Aktion. Aktuelle Bechtel-Dampfkraftwerksprojekte und der Dampfturbinenlieferant. Quelle: Bechtel Power Corp.

Es gilt als gute Vorgehensweise für den EPC-Auftragnehmer, eine gründliche Untersuchung der verschiedenen OEM-Angebote durchzuführen, um sicherzustellen, dass die grundlegenden Leistungsziele des Projekts (z. B. Leistungsabgabe, Wärmerate, Startzeiten, Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit) erreicht werden können. Der Prozess umfasst auch eine unabhängige Technologiebewertung der Betriebsgeschichte, der Technik und der Herstellungsprozesse der Ausrüstung. Die von den OEMs für ein bestimmtes Projekt angebotenen Leistungsmetriken für den Niederdruckturbinenabschnitt sollten normalisiert und mit der früheren Leistung verschiedener Gerätetypen in einer ähnlichen Konfiguration, die von OEMs in anderen Projekten angeboten wurden, abgeglichen werden. Bechtel unterhält eine Leistungsdatenbank vergangener Projekte, die regelmäßig mit Informationen aus Feldtests aktualisiert wird.

Aufgrund des iterativen Charakters der Turbinenauswahl sollten sich alle Projektbeteiligten an der Wahl der optimalen LSB-Länge beteiligen. Und da der Betrieb des LP-Bereichs durch den Gegendruck eingeschränkt wird, muss der Optimierungsprozess die Berücksichtigung von Kühlkörperoptionen umfassen. Beispielsweise sollte berücksichtigt werden, dass der Gegendruck eines luftgekühlten Kondensators typischerweise höher ist als der von wassergekühlten Kondensationssystemen und stärker von der Umgebungstemperatur abhängt.

Ein systematischer Ansatz zur LSB-Auswahl würde die Durchführung von Simulationsprogrammen beinhalten, um den Strombedarf, die Umgebungsbedingungen und die Leistung des Dampfturbinen-Kondensators stündlich über ein ganzes Jahr hinweg zu überlagern. Diese Analyse muss für mehrere LSB-Größen durchgeführt werden. Normalerweise reagiert ein kürzeres LSB weniger empfindlich auf große Gegendruckschwankungen als ein längeres, liefert jedoch möglicherweise nicht die beste Leistung. Die Auswahl des LSB beeinflusst die Anzahl der LP-Module und wirkt sich somit auf die Kapital- und Betriebskosten der Anlage aus. Neben dem Preis der Turbinenhardware erfordert ein zusätzliches LP-Modul mehr Bauraum, Beton, Rohrleitungen, Verkabelung, Instrumentierung, Steuerungen und dergleichen. Auch der Betriebs- und Wartungsaufwand erhöht sich durch die zusätzliche Hardware. Eine Lebenszykluskostenanalyse ist die einzige Möglichkeit, Designoptionen richtig zu vergleichen.

Abbildung 8 zeigt die typischen thermischen Wirkungsgradwerte für alle drei Module (HP, IP und LP), die während kürzlich durchgeführter Tests einer Kombidampfturbine aufgezeichnet wurden. Wie aus der Abbildung hervorgeht, kann der Wirkungsgrad einiger ND-Turbinenzylinder 94 % bis 96 % erreichen. In dieser Analyse war die Leistung der Dampfturbine im befeuerten Fall um 55 bis 65 % höher als im unbefeuerten Fall. Obwohl die Effizienz der HP- und IP-Module nur geringe Unterschiede zwischen den befeuerten und unbefeuerten Fällen aufweist, ändert sich die Effizienz der LP-Module erheblich. Seine Leistung steht in direktem Zusammenhang mit der Kapazität des Kühlkörpers, die den Betriebsgegendruck bestimmt.

8. Rechnen Sie nach. Wirkungsgrade von Dampfturbinenmodulen für kanalbefeuerte und unbefeuerte Fälle, die zur Entwicklung von Lebenszykluskostenvergleichen verwendet werden. Quelle: Bechtel Power Corp.

Der beste Weg, diese technischen und Auswahlgrundlagen zu veranschaulichen, ist eine tatsächliche Fallstudie eines in der Entwicklung befindlichen Projekts: ein Kohleabfallkraftwerk mit zwei Kesseln mit zirkulierender Wirbelschicht (CFB), die Dampf an eine einzelne Dampfturbine liefern und eine Nennleistung von 600 % erzeugen. MW Bruttoleistung. Da die Brennstoffkosten sehr niedrig sind, ist der kostengünstigste Zyklus ein unterkritischer Zwischenüberhitzungszyklus mit Hauptdampfbedingungen von 2.400 psig und 1.000 F und einer heißen Zwischenüberhitzungsdampftemperatur von 1.000 F. Unter der Annahme, dass auch die Stromgestehungskosten niedrig sein werden, ist die Anlage für den Betrieb im Grundlastmodus ohne zyklische Betriebsfunktionen ausgelegt. Obwohl der Betriebsbereich bei Teillast eine Überlegung für den Start und den Betrieb im Einzelkesselmodus ist, müssen die Betriebseffizienz und alternative Konfigurationen nur bei Volllast bewertet werden.

Bei der Turbine handelt es sich um eine kondensierende Zwischenüberhitzerkonstruktion, die für die Abwärtsströmung in einen doppelwandigen, wassergekühlten Einzeldruck-Oberflächenkondensator mit zwei Durchgängen und einem geteilten Wasserkasten im Mantel konfiguriert ist. Der für den Leistungsgarantiepunkt angegebene Turbinenabgasdruck beträgt 2,5 Zoll HgA. Die Anlage umfasst eine einzelne Reihe von sieben Speisewassererhitzern: drei LP, einen Entgaser, zwei IP und einen HP. Die Kesselspeisewasserpumpen sind motorbetrieben.

Der ND-Turbinenauslass war ursprünglich als Vierstrom-Design konfiguriert (zwei Gehäuse mit jeweils zwei Strömungen und einer LSB-Länge von 33,5 Zoll), obwohl ein alternatives Design untersucht wurde, das kostengünstiger war. Die Turbinen-OEMs wurden gebeten, Angebote für ein zweiflutiges Abgasdesign (Gehäuse mit einem ND-Abschnitt und zweiflutigem Abgas) abzugeben, obwohl es Bedenken hinsichtlich der Abgasgeschwindigkeit, der Schaufelbelastung und der Vibration gab.

Eine Möglichkeit, die Realisierbarkeit eines Designs zu bestimmen, besteht darin, alle tatsächlichen Erfahrungen mit demselben oder einem ähnlichen Design zu überprüfen. Die Turbinen-OEMs bestätigten, dass sie Turbinen mit dem gleichen oder einem höheren Bereich der Abgasgeschwindigkeiten der ND-Turbine entworfen, gebaut und in Betrieb genommen hatten, ohne dass es zu technischen oder betrieblichen Problemen kam. Die OEMs bestätigten außerdem, dass die Betriebsspannungsbelastungen für die Turbinenschaufeln bei einem Zweistrom-Design zwar höher sind, aber immer noch deutlich unter den zulässigen Spannungswerten liegen. Abschließend gaben die OEMs auch an, dass keine Vibrationen, Instabilitäten oder andere Betriebsprobleme auftreten würden.

Ein OEM wurde für eine weitere detaillierte Prüfung ausgewählt. Sein Zweistrom-Design hatte fünf Stufen und eine 40-Zoll-LSB-Länge mit einer Abgasgeschwindigkeit am Garantiepunkt von 975 Fuß/Sek. (gegenüber 675 Fuß/Sek. beim Vierstrom-Design). Bei niedrigerer Umgebungstemperatur und niedrigerem Abgasdruck betrug die Zweistrom-Abgasgeschwindigkeit fast 1.500 Fuß/Sek., im Vergleich zu 1.000 Fuß/Sek. bei der Vierstrom-Konstruktion. Diese Geschwindigkeit übersteigt die 1.100 bis 1.200 Fuß/Sek., die typischerweise zu einer stärkeren Erosion der LSBs führt, wenn sie mit einem gewissen Grad (nominal 10 %) Feuchtigkeit am hinteren Ende des Bodens kombiniert wird. Wenn sich an der Hinterkante der stationären Düsen Feuchtigkeit ansammelt, können bei geringer Geschwindigkeit abfallende Tröpfchen auf die Schaufeln treffen. Bei hohen Geschwindigkeiten werden die Tröpfchen jedoch durch die Laufschaufelkanäle gefegt und haben kaum oder gar keinen Kontakt mit den Schaufeln. Die OEMs bestätigten außerdem, dass Erosionsprobleme bei niedrigeren Lasten und Geschwindigkeiten tatsächlich schlimmer sind.

Auch die Vibrationseigenschaften der Schaufeln bei Laufgeschwindigkeit und einer so hohen Abgasgeschwindigkeit waren ein Problem. Die möglichen Auswirkungen von Stoßwellen aufgrund von Dampf, der mit Schallgeschwindigkeit aus dem LSB-Auslass austritt, wurden untersucht. Der OEM gab an, dass seine CFD-Analyse für das Standarddiffusordesign gezeigt habe, dass die aus dem LSB-Auslass austretende Unterschallströmung nur an einem von der Schaufel entfernten Punkt eine Machzahl von 1,0 erreicht. Dies verringert die Möglichkeit, dass sich eine Stoßwelle bildet, die stark genug ist, um eine Grenzschichtablösung zu verursachen. Sollte es dennoch zu einer Ablösung kommen, ist der Diffusor so konzipiert, dass er die Grenzschicht vom LSB isoliert. Die Überprüfung einer Referenzanlage mit ähnlichen Betriebsbedingungen bestätigte, dass eine eventuelle Trennung kein Problem darstellt.

Die Wellenleistung für den LP-Abschnitt ist bei den jeweiligen geprüften Zwei-Fluss-Konstruktionen im Vergleich zu Vier-Fluss-Designs ebenfalls etwa 5 % höher: 301 MW gegenüber 286 MW, verbunden mit einer entsprechenden Reduzierung des IP-Abschnitts. Der zweiflutige LP-Abschnitt hat eine relativ hohe Dampfbelastung für jede Schaufel. Dies führt zu einem höheren Druckabfall in der Stufe, was einen höheren ND-Einlassdruck und folglich einen höheren IP-Auslassdruck erfordert. Diese höheren Druckänderungen wirkten sich kaskadierend auf den Rest des Systems aus; Es wurden jedoch keine technischen Probleme festgestellt.

Eine zweite Überprüfung der Branchenerfahrung, dieses Mal hinsichtlich der Wellenleistung für Gegenstrom (HD, IP mit einem einzelnen Zweistrom-LP-Abschnitt), ergab keine Probleme für die Einheiten, die dem in Betracht gezogenen Design am nächsten kamen. Beim Vergleich mit der Referenzanlage des OEM wurde festgestellt, dass die Dampfströmungsbelastung auf jeder Stufenschaufel für dieses vorgeschlagene Design etwa 20 % höher war, obwohl der OEM bestätigte, dass die Dampfbiegespannungen für alle Stufenschaufeln immer noch innerhalb der zulässigen Designgrenze liegen. Die Dampfbiegespannung stellt ein Maß für die Fähigkeit einer Schaufel dar, der Stufenleistung oder Belastung durch Dampfströmung in axialer Richtung standzuhalten. Das Verhältnis von Arbeitsspannung zu zulässiger Spannung beträgt etwa 0,76 für die erste Stufe und 0,27 für die letzte Stufe. Dies entspricht einem Sicherheitsfaktor von nahezu 4 für das LSB.

Die zweiflutige LP-Turbinenkonfiguration könnte in den kälteren Monaten bei niedrigem Gegendruck betrieben werden, um die Wärmerate leicht zu verbessern, ohne große Rücksicht auf hohe Abgasgeschwindigkeiten zu nehmen. Der beste Ansatz besteht darin, die Anlage im Winter immer am oder nahe dem Gegendruck-Auslegungspunkt von 2,5 Zoll HgA zu betreiben, indem die Kühlturmventilatoren abgeschaltet und die Abteilungen isoliert werden. Der Leistungsgewinn für die zweiflutige Maschine beträgt bei der niedrigeren Umgebungstemperatur nur 800 kW (gegenüber 6.400 kW für die vierflutige Konstruktion), da die Geschwindigkeit am hinteren Ende relativ hoch ist und höhere Abgasverluste auftreten. Die vom Kraftwerk garantierte Leistungskapazität entspricht der Kapazität im Netzverbindungsvertrag, und die zusätzliche elektrische Leistung bringt für den Eigentümer keinen unmittelbaren Nutzen. Der Eigentümer kann jedoch eine schrittweise Erhöhung der Ausgangsleistung beantragen, um potenzielle Verbesserungen der elektrischen Ausgangsleistung zu nutzen. Würde man sich zum jetzigen Zeitpunkt für die zweiflutige ND-Turbine entscheiden, wäre es für den Eigentümer nicht möglich, mit der vierflutigen Maschine künftig fast 6 MW zusätzliche Leistung bei niedrigeren Umgebungstemperaturen zu erzeugen.

Die zweiflutige LP-Turbinenkonfiguration würde weniger kosten als die vierflutige Konstruktion und hätte geringere Installationskosten. Allerdings ist die Konstruktion der LP-Turbine mit zwei Strömungen weniger effizient als die Konstruktion mit vier Strömungen; seine Wärmerate ist bei 100 % Last um etwa 50 Btu/kWh höher. Der Effizienzverlust des Zweistrom-Designs war größer als erwartet; Folglich müssten der Kessel und andere vor- und nachgeschaltete Geräte etwas größer und teurer sein als bei der Vierstromkonstruktion. Insgesamt würde die zweiflutige LP-Turbinenkonstruktion weniger kosten als die vierflutige Anlage.

Vergleicht man die potenziellen Kosteneinsparungen des zweiflutigen LP-Turbinendesigns (ausgeglichen durch die höhere Wärmerate und die verpasste Möglichkeit, in den kälteren Monaten weitere 6 MW zu erzeugen) mit der höheren Effizienz der vierflutigen Maschine, ergibt sich im Wesentlichen eine Wäsche . Da die zweiflutige LP-Maschine im Vergleich zu ihrem (wenn auch geringen) potenziellen Risiko keine nennenswerten Vorteile bot, entschieden sich das EPC-Projektteam und der Eigentümer, mit der konventionelleren vierflutigen LP-Turbinenkonstruktion fortzufahren.

Die Autoren danken Paul Kochis von Bechtel und Rudy Koubeck von Siemens Power Generation für ihre aufschlussreiche Durchsicht des Entwurfs dieses Artikels.

—Dr. Justin Zacharyist leitender Ingenieur und Projektingenieur für Bechtel Power Corp. Er kann unter [email protected] oder 301-228-8764 erreicht werden.Donald J. Ziege ist Projektingenieur für Bechtel Power. Er kann unter [email protected] oder 301-228-8757 erreicht werden.

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