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2.6 Der Kraftstoff
Kraftstoff ist auch bei unserem Auto ein Thema. Gemeint sind nicht Stammtischgespräche um wunderwirkende Zusätze. Auswirkungen auf ungeahnte Höchstgeschwindigkeiten werden so manchem Ingredienz angedichtet. Nein, ein echtes Thema ist auch hier der Umweltschutz. So wurden Bleizusätze minimiert oder verbannt. Schwefelverunreinigungen müssen immer geringer werden.
Das hatte, teilweise unerwartete, negative Auswirkungen auf die Haltbarkeit wichtiger Motorenkomponenten. Erst Anpassungen an die neuen Bedingungen brachten ein befriedigendes Betriebsverhalten. Trotzdem wirken sich diese Forderungen in zweifacher Weise positiv aus. Einmal indem direkte Emissionen von Schadstoffen minimiert werden. Zum anderen, um gesundheitsschädliche Anteile wie NOx und CO mit Hilfe von Katalysatoren aus dem Abgas entfernen zu können, ohne deren wirksame Struktur zu schädigen. Schwefel und Blei machen nämlich dem Katalysator im wahrsten Sinn des Wortes das Leben schwer und führen zu dessen frühem Versagen. Natürlich wird man zuerst versuchen mit der Optimierung der Kraftstoffzufuhr und der Verbrennung den Ausstoß der schädlichen Gase zu verringern. Auch eine Verbesserung des Motorenwirkungsgrades führt über einen niedrigeren Kraftstoffverbrauch zu kleineren Abgasmengen. Aufwändige Verfahren zur Direkteinspritzung und Realisierung magerer Gemische werden genutzt, um den Kraftstoffverbrauch bei niedrigen Emissionen abzusenken.
Ganz ähnlich geht man bei Gasturbinen vor, um Forderungen des Umweltschutzes bei akzeptablen Leistungen, günstigem Kraftstoffverbrauch und hohen Lebensdauern zu erfüllen. Der Wirkungsgrad wird weiter angehoben und neue Technologien vermindern die Schadstoffentstehung. Nicht selten treten zumindest bei der Einführung schadstoffarmer Konfigurationen Probleme auf, die bisher kaum beobachtet wurden.
Deshalb müssen auch an schadstoffarmen Gasturbinen Änderungen gegenüber früheren Versionen vorgenommen werden.
Eigenschaften des Kraftstoffs beeinflussen die Betriebskosten in hohem Maß. Dabei ist durchaus nicht nur der Kraftstoffverbrauch von Bedeutung. Die vielfältigen Zusammenhänge sind oft nicht genügend bewusst. Der Kraftstoff bestimmt mit seiner Zusammensetzung, Reinheit und seinen Verbrennungseigenschaften in hohem Maß die Lebensdauer und das Betriebsverhalten unserer Gasturbine. Insbesondere ist die Lebensdauer der Heißteile im Brennkammerbereich betroffen: Die Lebensdauer der Brennkammer selbst und die der ersten Turbinen-Leitschaufelstufe (engl. nozzle) stehen im Zusammenhang mit der Wärmestrahlung der Flamme. Sie ist hier für die Aufheizung, d.h. Temperaturniveau und Temperaturzyklen von entscheidender Bedeutung. Damit sind auch Schäden durch Oxidation und Thermoermüdung von der Flammenstrahlung abhängig.
Kraftstoffe, die zur Rußbildung und damit zu starker Wärmestrahlung der Flamme neigen (leuchtende Flamme), können die Reparaturkosten im Heißteilbereich um ein Mehrfaches ansteigen lassen. Gründe sind kürzere Lebensdauern und/oder irreparable Schädigungen nach üblichen Laufzeiten. Für die Rußbildung ist der Wasserstoffgehalt des Kraftstoffs wichtig ( "Bild 2.6-2"). Dieser steht im Zusammenhang mit dem kraftstoffspezifischen Gemisch der verschiedenen Kohlenwasserstoffe.
Es ist also dringend anzuraten, dass Garantien zur Heißteillebensdauer und Demonstrationsläufe dieser Eigenschaften für den vom Betreiber verwendeten Kraftstoff gelten (Beispiel 3.2.2-1).
Will der Betreiber, z.B. aus Verfügbarkeits- oder Kostengründen die Kraftstoffsorte wechseln (das gilt auch für die Lieferquelle), sollte er sich über Bedenken und mögliche Auswirkungen auf Garantieleistungen beim OEM absichern. Am besten ist dies, falls möglich, bereits bei der Beschaffung geschehen.
Die Minimierung der Schadstoffemission stellt weitere Anforderungen an die Gleichmäßigkeit und Reinheit des Kraftstoffs. Hierzu gehört in erster Linie die „Dry Low-NOx“ (DLN) Verbrennung.
Die Zumischung großer Luftmengen im Bereich der Einspritzdüsen begünstigt Instabilitäten der Verbrennung ( "Bild 3.2.2-5"). Sie ist für scheinbar kleine Unterschiede in der Kraftstoffzu- sammensetzung äußerst empfindlich. Offenbar können sich selbst Abweichungen innerhalb von Spezifikationswerten im Betriebsverhalten inakzeptabel bemerkbar machen (siehe Beispiel Beispiel 2.6-5 und Kapitel 3.2.3). In Erdgas eingebrachte, feinstverteilte flüssige und feste Bestandteile (Aerosole) haben entsprechend Literaturangaben die Überholintervalle von DLN-Gasturbinen auf 2000 bis 3000 Stunden verkürzt (Lit 3.1.2.3-1).
Fällt die Temperatur des Brenngases unter seinen Taupunkt, wird eine Kondensatbildung ermöglicht. Damit besteht die Gefahr von Überhitzungsschäden an den Heißteilen. In diesem Fall sind die Regler nicht in der Lage, auf die plötzlich vielfach höhere Brennstoffmasse der Flüssigkeit anstatt des Gases zu reagieren.
Zusätzlich können zerstörende Flammrückschläge ( "Bild 3.2.1-5.2") ausgelöst werden. Um solche Gefahren zu vermeiden, empfehlen die Gasturbinenbetreiber eine Brenngastemperatur vor dem Kraftstoffsystem die mindestens 10 °C über dem Taupunkt liegt. Diese Temperatur garantieren manche Hersteller indem sie eine dauernde Vorwärmung anbringen. Dabei ist zu berücksichtigen, dass sich das Gas bei einem Druckabfall merklich abkühlt. Wird der Gasdruck in der Zuführung von beispielsweise 56 bar auf 25 bar abgesenkt, ist mit einem Abfall der Brenngastemperatur um ca. 17,5 °C zu rechnen. Zu bedenken ist auch, dass eine Vorwärmung wegen des zusätzlichen Energieverbrauchs zu einem Kostenfaktor werden kann.
Neue Zusatzgeräte eröffnen die Möglichkeit, mitgeführte Aerosole abzuscheiden oder das Brenngas kontinuierlich auf derartige Verunreinigungen zu überwachen.
DLN-Brennkammern ( "Bild 3.2.1-5.1" und "Bild 3.2.2-2") sind im Vergleich zu konventionellen Brennkammern für mitgeführte Öle besonders empfindlich. Von vorgeschalteten Kompressoren als „Ölrauch“ (= „oil smoke“) eingebrachte Öle, wie schwere Kohlenwasserstoffe, Amine und Glykol, müssen entsprechend Aerosolen aus dem Brenngas entfernt werden. Gelingt dies nicht, besteht die Gefahr, einer Verkokung der Kraftstoffdüsen, von Frühzündungen ( "Bild 3.2.1-5.1") oder Flammrückschlägen. Die fein verteilten Ölnebel lassen sich mit einem Bindemittel entfernen.
Unbefriedigende Qualität von gasförmigen und flüssigen Kraftstoffen ist einer der häufigsten Gründe für Probleme mit Industriegasturbinen (Lit. 2-13). Ursachen sind Abweichungen bzw. Streuungen der Kraftstoffvorschriften und/oder ungeeigneter Umgang mit dem Kraftstoff. Engpässe wie bei Energiekrisen verstärken einen Trend zu schlechterer Kraftstoffqualität.Mit besseren Kraftstoff-Reinigungssystemen wird versucht dem entgegenzuwirken. Das gilt besonders für Schweröle.
Weil Verunreinigungen wie Schwefel die teuren Heißteile schädigen (siehe Kapitel 3.4.2) werden Überholintervalle und -kosten von der Wahl des Kraftstoffs beeinflusst ( "Bild 2.6-1"). Dies gilt nicht nur für die Beschaufelung. So hat man festgestellt, dass Silber auf vielfältige Weise Sulfidation auslösen kann ( "Bild 3.4-4"). Selbst an Rotorscheiben aus Ni-Legierungen können durch Silbereinwirkung gefährliche Anfressungen entstehen. Deshalb werden heute vielfach keine versilberten Schrauben im Heißteilbereich verwendet. Das Problem wird anscheinend als so gravierend eingeschätzt, dass man nun die „gefressenen“ bzw. festgebackenen Schrauben nach dem Öffnen austauscht. Damit besteht die Gefahr einer nicht erkannten Schädigung durch Überlastung beim Lösen.
Doch nicht nur Heißteile sind von schlechter Kraftstoffqualität betroffen. Auch Ablagerungen („Fouling“, "Bild 2.6-3") im Kraftstoffsystem (Regler, Zumesseinheiten, Düsen, "Bild 2.6-4") können einen Ausfall der Gasturbine herbeiführen.
Beispiel 2.6-1 (Lit 3.1.2.3-1): Ein Flammrückschlag ( "Bild 3.2.1-5.2") in einer mit DLN ausgerüsteten Industriegasturbine war wahrscheinlich auf Amine im Brenngas zurückzuführen. Die vorgeschaltete Anlage zur Gasbehandlung ließ jedoch keine entsprechenden Anzeichen erkennen. Wie sich herausstellte, waren zehn Jahre früher große Mengen Amine in die Gasleitung gelangt. Diese setzten sich im Rohrleitungsstück im Bereich am Grund eines Flusses ab. Ein verstärkter Gasdurchfluss riss die abgesetzten Amine mit.
Der Einsatz eines Filters konnte weitere Flammrückschläge verhindern.
Beispiel 2.6-2 (Lit 3.1.2.3-1): Bereits nach ca. 2500 Betriebsstunden, weit vor einer vorgesehenen Überholung, gelangte „Ölrauch“ (engl. oil smoke) eines Pipeline-Kompressors in die Maschine. Dies dürfte zu „Fouling“ im Verdichter geführt haben. Mit einem geeigneten 2,5 my Filter gelang es den Ölrauch abzuscheiden, sodass Überholintervalle bis zu 40 000 Stunden erreicht wurden.
Beispiel 2.6-3 (Lit 3.1.2.3-1): Zwei große Gasturbinen mit DLN-Verbrennung wurden mit Gas niedrigen Taupunkts (um 0°C) betrieben. Dabei traten Flammrückschläge auf. Es zeigte sich, dass in den über der Erde geführten Gasleitungen der Taupunkt im Winter unterschritten wurde. Die kondensierte Flüssigkeit führte zu den Flammrückschlägen. Eine Abhilfe bestand in der Vorheizung des Brenngases.
Beispiel 2.6-4 (Lit 3.1.2.3-1): Der Betreiber wechselte aus Kostengründen den Brenngaslieferanten. Dadurch gelangten nach einigen Tagen flüssige Rückstände in die Brenngasleitungen. Das führte zum Abschalten von zwei Gasturbinen. Sie waren mit einem Filter im Kraftstoffsystem (FGCS) versehen, der größere Schäden verhinderte.
Beispiel 2.6-5: Die Gasturbine wurde vor der Auslieferung beim Hersteller aufgebaut. Mit dem vorhandenen Erdgas erfolgte eine umfangreiche Erprobung. Dabei konnte man sich offenbar von einem beanstandungsfreien Betrieb überzeugen. Nach der Auslieferung in Übersee kam es dort zu schweren Verbrennungsinstabilitäten. Offenbar waren die Probleme gravierend (siehe "Bild 3.2.2-5"). Abhilfemaßnahmen führten für den OEM zu existenzbedrohenden Kosten. Eine Untersuchung des verwendeten Brenngases ergab Unterschiede zum Gas der Erprobung. Damit ließen sich die unzulässigen Verbrennungsschwingungen erklären.
"Bild 2.6-1": Der Instandhaltungsaufwand einer Gasturbine hängt in erster Linie von Lebensdauer und Überholintervallen der Heißteile (Brennkammer und Turbinen) ab. Deutlich ist in diesem Zusammenhang der Einfluss des verwendeten Kraftstofftyps zu erkennen. Das vergleichsweise saubere Erdgas schneidet am besten ab. Je dickflüssiger und in seiner Zusammensetzung inhomogener der Kraftstoff ist, umso preisgünstiger ist er. Die Verunreinigungen dürften jedoch zunehmen. Entsprechend häufiger treten kostspielige Schäden auf. Auch die Überholintervalle verkürzen sich. Besonders die Verunreinigungen lösen Heißgaskorrosionsschäden (z.B. Sulfidation, "Bild 3.4-2" und "Bild 3.4-3") auf Kosten der Lebensdauer aus.
"Bild 2.6-2": (Lit 2-9): Ruß beim Verbrennungsvorgang ist für die thermische Belastung der Brennkammer duch Wärmestrahlung entscheidend. Die glühenden Rußpartikel sind die Hauptstrahlungsquelle. Sie ist für die Temperatur der Brennkammerwandung verantwortlich, denn sie durchdringt den schützenden Kühlluftschleier. So steigen die Reparaturkosten der Brennkammer auf Grund einer größeren Schädigung (z.B. Rissbildung, Verformungen, Skizze oben, "Bild 3.2.3-1").
Der rußbildende Kohlenstoff- bzw. der Wasserstoffgehalt ist vom Anteil der Ketten- und Ringkohlenwasserstoffe bestimmt. Natürlich spielen auch die Verbrennungsbedingungen für die Rußbildung eine wichtige Rolle (Lit. 2-12). Das Diagramm zeigt die Tendenz der Abhängigkeit von Brennkammerlebensdauer und Zusammensetzung eines (flüssigen) Kraftstoffs.
Ca. 100°K führen zu thermischen Spannungen, die überproportional große Lebensdaueränderungen (Lastwechsel bis zur Rissbildung), es handelt sich um eine Zehnerpotenz, auslösen.
Merke: Auch eine scheinbar kleine Änderung der Kraftstoffspezifikation und/oder die Nutzung verschiedener Kraftstoffe kann die Überholungsintervalle deutlich verkürzen und die Reparaturkosten in die Höhe treiben. Deshalb ist eine äußerst kritische Prüfung mit geeignet betriebsnahen Prüf läufen dringend zu empfehlen.
"Bild 2.6-3": (Lit. 2-13): An mehreren DerivatMaschinen in der Ölförderung des mittleren Ostens trat gefährliches Fouling im Kraftstoffsystem auf. Besonders Ventilsitze und Messquerschnitte im Regelungsbereich waren betroffen. Dadurch wurde das Startverhalten beeinträchtigt. Zusätzlich reagierten die Maschinen träge auf Leistungsänderungen.
Es zeigte sich, dass die Entstehung der Ablagerungen auf der Kombination der Kraftstoffverunreinigungen Schwefelwasserstoff (engl.
hydrogen sulfide) und Wasser beruhte. Dabei entstanden in den Rohrleitungen feine Eisensulfid-Partikel, die im Kraftstoff in Schwebe gehalten wurden (Suspension). Diese Partikel konnten durch den Kraftstofffilter treten und fällten dann während der Expansion nach dem engen Querschnitt aus. Sie bildeten einen sehr harten und spröden Belag der sich in großen Flocken ablöste.
Ein ähnliches Problem sind die im Bild gezeigten Ablagerungen. Sie bilden sich im Kraftstoff aus heißen Ölquellen bei über 100°C. Die Halbierung der Filterporengröße auf ca. 2 µ reichte zur Beherrschung des Problems nicht aus. Deshalb war eine Kombination mehrerer Maßnahmen erforderlich:
- Verbessertes Auszentrifugieren/Reinigen um den Wassergehalt zu reduzieren. Dazu gehörten eingehende Wartung und Inspektion der Wasserabscheider und ähnlich wirkender Einbauten.
- Vermeidung tiefer liegender Leitungszonen, in denen sich unter dem Taupunkt Wasser aus dem Gas absetzen kann.
- Geeigneteres Kraftstoffsystem (hydraulisch betätigt), insbesondere zur Überwindung hoher Verstellkräfte.
"Bild 2.6-4": (Lit. 2-13): In mehreren Derivatmaschinen transportabler Stromerzeuger kam es zur schnellen Ablagerungsbildung (Fouling) in den Kraftstoffdüsen. Das Fouling erforderte häufige Wechsel/Reinigung der Kraftstofffilter. Zusätzlich traten Brennkammerschäden auf.
Der Kraftstoff wurde aus kleinen Tanks direkt mit Lastzügen angeliefert. Wegen der vielen Einzellieferungen war es nicht möglich, von jeder Lieferung Kraftstoffproben zu entnehmen und zu untersuchen. Mit Stichproben erkannte man die deutlich außerhalb der Spezifikation liegende Kraftstoffverschmutzung nicht.
Eine Überwachung der Abgastemperatur (engl. monitoring, Kapitel 5.1.1) zusammen mit Boroskopinspektionen der Brennkammern ( "Bild 4.1-6") und häufiger Reinigung der Kraftstoffdüsen/Brenner konnte das Problem auf ein akzeptables Maß gebracht werden.
Eine eingehendere Untersuchung des Kraftstoffs ergab, dass das Problem auf schlechte Kraftstoffbehandlung (engl. ‘housekeeping’) zurückzuführen war. Die Verschmutzungen bestanden aus Staub, Schwerölablagerungen und Teer. Sie stammten aus den schlecht gereinigten Tanklastzügen. Diese Erkenntnis löste folgende erfolgreiche Maßnahmen aus:
- Verbesserte Handhabung (engl. handling) des Kraftstoffs.
- Einbau zusätzlicher Filter am Kraftstoffeintritt in die Gasturbine.
- Verlängerte Absetzzeit vor der Gasturbine.
"Bild 2.6-5" (Lit. 2-14): Eine kontinuierliche Kontrolle der Kraftstoffqualität hat sich bei Gasturbinen bereits in der Praxis bewährt. Dabei geht es in erster Linie um den unteren Heizwert (engl. lower heating value =LHV). Eine Abnahme des LHV kann bei einer mittleren Industriegasturbine im Jahr zusätzliche Kraftstoffkosten in der Größenordnung eines Einfamilienhauses auslösen (oberes Diagramm). Hier hat die ca. 1 % LHV-Absenkung Zusatzkosten in der Größe von 300 000$ verursacht.
Für die LHV-Überwachung werden kontinuierlich anfallende Monitoring-Daten (engl. performance monitoring, Kapitel 5.1.1) wichtiger Komponenten wie Verdichter und Turbine elektronisch ausgewertet. Damit lässt sich auch zwischen Effekten geringeren Kraftstoffdurchflusses und LVH-Veränderung im oberen Diagramm unterscheiden.
Dafür sind erprobte Verfahren verfügbar. Sie sind für gasförmige und flüssige Kraftstoffe geeignet. Sie sind in jedem Gasturbinentyp anwendbar. Das gilt auch bei Wassereinspritzung oder Dampfeinblasung ( "Bild 2.1-3.3" und "Bild 2.1-3.4"). Bei Gasturbinen für Pumpen von Gaspipelines, die das Gas zum Betrieb verwenden, besteht gleichzeitig die Überwachungsmöglichkeit der Gasqualität in der Leitung. Dieses Überwachungsverfahren wurde für Erdgas und Dieselkraftstoff erfolgreich angewendet. Es zeigte sich, dass deren Zusammensetzung in Abhängigkeit von der Quelle im Streubereich von +-10% variieren kann.
Das Kraftstoff-Überwachungsverfahren hat noch weitere äußerst interessante Aspekte: - Es warnt vor Emissionsüberschreitungen durch Änderungen des LHV.
- Brennkammerinstabilitäten ( "Bild 3.2.2-5"), die als Gasschwingungen in Dry-Low-NOx (DLN)-Maschinen schwere Heißteilschäden verursachen, lassen sich vermeiden.
- Das gilt auch für ein Verlöschen der Brennkammer (engl. flame out).
Literatur zu Kapitel 2
2-1 H.Löffel, D.Thinius, Energieconsulting Heidelberg, „Gasaturbineneinsatz im Rahmen der Kraft-Wärme-Kopplung“, VIK-Berichte Nr. 195. Januar 1986.
2-2 „Gasturbinen in der Industrie“,VIK-Berichte Nr. 195,Januar 1986, Seite 9-16
2-3 R.L.Casper, J.C.Rucigay, GE Co., „Design and Development of the General Electric LM5000 Industrial Package Power Plant“, ASME Paper 85-GT-26 (1985).
2-4 H. Huff, A. Rossmann, „Zur Kurzzeitermüdung von Turbinenrädern“, Allianz „Bruchuntersuchungen und Schadenklärung“, 1976, Seite 98-103.
2-5 C. Marnet, B.Kassebohm, „Bau und Betriebserfahrungen mit der leichten und schweren Gasturbine“, VGB Kraftwerkstechnik 55, Heft 12 (1975).
2-6 R.Kennedy,GE Co.,Maintenance, Gas Turbine Reference Library (1968). Seite 7
2-7 R.H. Wulf, „CF6-6D Engine Performance Deterioration“, Paper NASA -CR-15978G, 1978, Seite 1 - 103.
2-8 R.L. Martin, W.J. Olsson, „Operating Flight Loads and Their Effect on Engine Performance“, SAE-Paper 811071 des „Aerospace Congress& Exposition“, Anaheim, California, October 5-8, 1981.
2-9 C.A. Moses, P.A. Karpovich, „Fuel Effects on Flame Radiation and Hot-Section Durability“, Proccedings AGARD -CP-422 der Konferenz „Combustion and Fuels in Gas Turbine Engines“, Seite 15-1 bis 15-15.
2-10 K.C.Ludema, „Failures of Sliding Bearings“, „Metals Handbook, Ninth Edition ,Volume 11 Failure Analysis and Prevention „, American Society for Metals (ASM ), ISBN 0-97170-007-7, 1986, Seite 483-489).
2-11 F.Böckel, S.Verstege, „Lagerung-Grundlagen und konstruktive Gestaltung“, C.Lechner, J.Seume „Stationäre Gasturbinen“, Springer-Verlag, Berlin Heidelberg New York, ISBN3-540-42831-3 2003, Seite 717-719.
2-12 J.Hellat, A.Eroglu, W.Krebs, „Technische Verbrennungssysteme“, C.Lechner, J.Seume „Stationäre Gasturbinen“, Springer-Verlag, Berlin Heidelberg New York, ISBN 3-540-42831-3 2003, Seite 447-538.
2-13 J.W.Sawyer, „Sawyer´s Turbomachinery Maintenance Handbook I“, Turbomachinery International Publications USA, (1980), Seite 7-25.
2-14 Fa. Gas Path Analysis Limited (GPAL) „ On-Line Fuel Quality Control for Gas Turbines“, www.gpal.co.uk, Mai 2008.
2-15 S.S.Florjancic, N.Lively, G.R.Thomas, „Mechanical Behaviour of an Industrial Gas Turbine under Fault Conditions, a Case History“, Proceedings of 7 th International Symposium on Transport Phenomena and Dynamics of Rotating Machinery, ISROMAC Conference, Honolulu, 1997, Seite 1-10. (4655)
2-15 „T.Hansen, R.Smock, „Gas Turbines Aim at World Power Market“, Zeitschrift Power Engineering International, June 1996, Seite 1-9. (4650)
2-16 M.Maalouf, „Gas Turbine Vibration Monitoring - An Overview“, Zeitschrift ORBIT, Vol. 25, No. 1, 2005, Seite 49-62. (4654)
2-17 J.M.Robichaud, „Reference Standards for Vibration Monitoring Analysis“, www.bretech.com, Seite 1-10.(4653)