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3.7.1 Luftzuführung und Abgasbereich
Der Wirkungsgrad der Gasturbine ist nicht zuletzt vom Zustand seiner Periferie, d.h. der vorgeschalteten und nachgeschalteten Anlagen ( "Bild 3.1.2.2-6" und "Bild 3.7.1-1") abhängig. Zu den vorgeschalteten Geräten gehören:
- Eintritts- und Austrittsschalldämpfer,
- Lufteinlassfilter (Lit. 3.7-7),
- Verdampfungskühler für die Ansaugluft,
- Bypassventile am Ein- und Austritt,
- Wärmetauscher und Dampferzeuger (GUD) im Abgasstrom.
Die Abgasführung und deren Einbauten
Schalldämpfer ( "Bild 3.7.1-1") sind von außen schlecht kontrollierbar. Bei Korrosion und/oder Schwingungen können unbemerkt Metallteile ausbrechen. Ansaugschalldämpfer können so umfangreiche Folgeschäden im Verdichter erzeugen. Lösen sich Bestandteile der Dämpfermatten, sind gekühlte Heißteile verstopfungsgefährdet. Besonders empfindlich sind Kiemen von Brennkammern oder Kühlluftkanäle in Turbinenschaufeln ( "Bild 3.3-3"). Die einzelnen Elemente sind häufig von einem Blech aus niedrig legiertem Stahl umschlossen, das lediglich eine leichte Rostschicht ansetzt. Dieser Mantel kann erst dann gründlich auf Risse (z.B. in den Schweißungen) visuell kontrolliert werden, wenn die Rostschicht entfernt wurde. Die inneren Wandungen sind auf Lackschäden (Abblätterungen!) und Korrosion zu überprüfen. Sie müssen gegebenenfalls entlackt und entrostet sowie mit einer geeigneten Lackierung versehen werden. Auch auf den ersten Blick ungefährlich erscheinender feiner, abblätternder Rost und sich lösende Lackpartikel haben ein hohes schädigendes Potenzial. Sie können erfahrungsgemäß die Kühlluftführungen von Heiß-teilen verstopfen und so zu einer deutlichen Lebensdauerreduzierung dieser teuren Komponenten führen ( "Bild 3.3-12").
Je nach Art und Größe der Partikel werden unterschiedliche Filtersysteme ( "Bild 3.7.1-3") für die Ansaugluft angewandt. Der Betreiber muss dafür sorgen, dass die Filterwirkung ( "Bild 3.1.2.2-7") über die gesamte Betriebszeit aufrecht erhalten bleibt ( "Bild 3.1.1-2").
Es ist deshalb sehr wichtig, dass der Ansaugkanal zwischen Filter und Maschine auf kleinste Leckagen überprüft wird. Gegebenenfalls sind diese sofort abzudichten. Für ein zielführendes Handeln sollte die Filterfunktion verstanden sein ( "Bild 3.7.1-2" und "Bild 3.7.1-3"). Es ist darauf zu achten, dass der Druckabfall im Filter (d.h. der Filterwiderstand) nicht durch Zusetzen unzulässig groß wird. Dazu sind Anzeige und Funktion der zugeordneten Instrumente zu überwachen. Bei einem ungewöhnlich niedrigen Ansaugwiderstand ist von einem so stark verstopften Filter auszugehen, dass sich das Bypassventil bereits geöffnet hat. Dann ist eine befriedigende Filterwirkung nicht mehr gegeben. Die Maschine saugt in diesem Fall Partikel direkt an, was die Maschine bedenklich verunreinigen kann. Bypassventile sind üblicherweise gewichtsbelastete rechteckige Klappen. Sie geben bei Filterblockade eine Öffnung frei, durch die ausreichend Ansaugluft einströmt. Ein solcher Bypassstrom birgt zusätzlich die Gefahr von Verwirbelungen der Ansaugströmung. Über längere Zeit kann das Schaufelschwingungen im Verdichter und Schwingbrüche auslösen.
Filter nach dem Bandprinzip fordern die Überwachung von Antrieb und Führungen. Bei Bedarf hat entsprechend den OEM-Angaben eine Schmierung mit dem dafür vorgesehenen Schmiermittel zu erfolgen. Natürlich ist zu gewährleisten, dass das Filterband nicht endet, sonst besteht die Gefahr, dass der Verdichter ungefilterte Luft ansaugt.
Filter, die nach dem Prinzip der Massenträgheit arbeiten, d.h. durch Umlenkung oder Rotation der Strömung wirken, sollten periodisch auf Rost geprüft werden. Gegebenenfalls ist eine geeignete Ausbesserung mit einem langzeitbeständigen Lack vorzunehmen.
Filter auf Rückstände zu untersuchen ist naheliegend. Diese ermöglichen Rückschlüsse auf Art und Ursprung der Luftverunreinigungen. Sie sind die Voraussetzung für gezielte Maßnahmen gegen Verstopfung und/oder schädigende Reaktionen der Heißteile.
Überraschenderweise besteht bei Temperaturen oberhalb des Gefrierpunktes Vereisungsgefahr für den Filter und den Ansaugbereich des Verdichters. Dieser Effekt ist entscheidend von der Luftgeschwindigkeit und der Luftfeuchtigkeit abhängig ( "Bild 1.1-2", "Bild 3.7.1-4.2" und "Bild 3.7.1-5").
Verdampferkühler nutzt man an heißen Standorten. Sie kühlen die Ansaugluft ab. Damit erhöht sich der Massendurchsatz und sorgt für ausreichende Leistung der Maschine. Vom Luftstrom mitgerissene Feuchtigkeit kann zu Korrosion, Erosion und Ablagerungen führen (Compressor Fouling, "Bild 3.7.1-6"). Deshalb ist dafür zu sorgen, dass die Komponenten des Kühlers einwandfrei arbeiten. Wichtig ist, dass die Verdampfer(-Elemente) in der richtigen Lage angeordnet und nicht beschädigt sind. Die Düsen für das Wasser müssen das vorgeschriebene Sprühbild und ausreichenden Durchfluss aufweisen. Natürlich ist im Wasserreservoir auf die Einhaltung des Pegelstands zu achten. Hierzu gehört die Überprüfung der Funktion des Niveauschalters
Die Wasserzusammensetzung darf keine schädlichen Verunreinigungen wie Gips aufweisen. Er ruft in den Heißteilen Sulfidation ( "Bild 3.4-2") hervor. Dabei ist zu beachten, dass sich mit der Zeit Verunreinigungen anreichern, wenn lediglich das verdampfte Wasser ersetzt wird. Sie können auch den Verdampfer zusetzen bzw. die Verdampfung behindern, die Umwälzpumpen für das Wasser beschädigen oder das Rohrleitungssystem verstopfen. Das Wasser muss deshalb in regelmäßigen Abständen erneuert oder gereinigt werden.
MERKSATZ:
Ein Filter, der durch ein auch kleines Leck umgangen wird, ist unwirksam!
Die Abgasführung und deren Einbauten
Im Bereich der Abgasführung können sich Aggregate wie Filter, Wärmetauscher und Schalldämpfer befinden ( "Bild 3.7.1-1"). Diese stehen in wechselseitiger Beziehung zur Gasturbine. Veränderungen an dieser können die Einbauten in der Abgasführung beeinflussen und umgekehrt.
Als Folge eines merklichen Strömungswiderstands am Turbinenaustritt kann die Leistung einer Gasturbine abfallen. Dies wiederum lässt die Heißteiltemperaturen ansteigen und verschlechtert das Betriebsverhalten des Verdichters ( "Bild 3.1.1-2"). Ein Anstieg des Strömungswiderstands könnte z.B. auf Schäden am Austrittsschalldämpfer beruhen. Die Druckverluste im gesamten System sind bei der Auswahl der Maschine zu berücksichtigen. Durch Inspektion und Wartung ist dafür Sorge zu tragen, dass diese Verluste nicht unzulässig ansteigen.
Merkliche Gasschwingungen im Abgaskanal können sich auch auf die Turbine auswirken
Schäden am Abgaskanal und dem Austrittsschalldämpfer sind durchaus häufig. Plattenschwingungen der flachen Wände von Abgaskanälen mit rechteckigen Querschnitten können zur Schwingrissbildung und flächigen Wandausbrüchen (Plattenschwingungen) führen. Besonders schwer zu beherrschen sind die für den Abgasstrom typischen niedrigen Frequenzen unter 100 Hz. Dies gilt auch in Bezug auf schalldämmende Maßnahmen. Kanäle mit rundem Querschnitt sind in sich steif und so gegen Ermüdungsschäden unempfindlicher. Auch ist ihr Wärmedehnungsverhalten (z.B. beim Start) günstiger als bei flachwandigen Kanälen. Der Betreiber sollte deshalb bei einer Beschaffung rohrartige Abgaskanäle bevorzugen. Das gilt auch, obwohl das akustische Verhalten nicht so gut wie von flachwandigen Kanälen ist. Kanalführungen, bei denen der Abgasstrom direkt die Wandung trifft (Knie, Bogen), sind besonders rissanfällig.
Ungünstige Druck- und Geschwindigkeitsverteilungen des Abgasstroms können mit Hilfe von Umlenkblechen in den Kanalknien vermieden werden. Es ist aber aber möglich, dass sie durch Rissbildung (hochfrequente Schwingungen, Thermoermüdung) selbst zum Problem werden. Dazu tragen heiße Strähnen bei. Sie erzeugen an den inneren Wandungen Heißstellen. Das führt über behinderte Wärmedehnung zu Verzug und Rissbildung durch Thermoermüdung ( "Bild 3.3-16"). Örtliches Aufheizen der Außenwand mit Rissbildung bedroht das Wartungspersonal mit Brandverletzungen.
Hohe Abgastemperaturen bis ca. 600°C erfordern für die Innenwandungen ausreichend warmfeste und oxidationsbeständige Werkstoffe. Rostfreie Stähle haben sich besonders bewährt. Die Außenwände können aus niedrig legiertem Stahl bestehen. Da im Stillstand mit Schwitzwasserbildung zu rechnen ist, muss der korrosiven Beanspruchung Rechnung getragen werden. Besonders betroffen ist der Abgasschalldämpfer. Bei diesem ist wegen der Schwingbelastung die Packungsart und die Abdeckung der Dämpfungsmatten für das Betriebsverhalten und die Langzeithaltbarkeit entscheidend. Ungeeignetes Mattenmaterial kann zerbröseln und vollkommen ausgetragen werden.
Eine besondere Schwachstelle der Abgasführung sind dehnungsausgleichende Verbindungen wie Faltenkompensatoren. Sie sollen als elastische Verbindungsglieder die unterschiedlichen Wärmedehnungen der einzelnen Komponenten beherrschen. Wenn hier bei der Auswahl Fehler gemacht wurden, sind häufige Reparatur- und Austauscharbeiten vorprogrammiert. Die Wahl besonders preiswerter Kompensatoren mit eingeschränkter spezifischer Eignung ist auf längere Zeit keine Kostenersparnis.
Neben den mechanischen Unwägbarkeiten sind die akustischen Anforderungen einer Komponente zu berücksichtigen ( "Bild 1.1-1"). Hier ist die Umgebung des Standorts von ganz besonderer Bedeutung. Sind lärmempfindliche Anlagen (z.B. Krankenhaus) in der Nähe oder gibt es andere Lärmquellen, die verstärkende Effekte auslösen können? Mehrere benachbarte Maschinen sind unter akustischen Gesichtspunkten in einem Gebäude zu konzentrieren.
MERKSATZ:
Eigene “Verbesserungen“ im Umfeld einer Maschine können unerwartete Probleme an der Maschine selbst hervorrufen!
"Bild 3.7.1-1": Typische Einbauten mit einem Einfluss auf die Strömung vor ( "Bild 3.7.1-5") und hinter einer Gasturbine (A):
(B) Ansaugfilter, (C) Ansaugschalldämpfer, gegebenenfalls mit Bypass, (D) Ansaugraum, (G) Abgas Schalldämpfer, (F) Abgas Wärmetauscher, (E) Abgaskanal, (K) und (H) Abtrieb und angetriebenes System (z.B. Gererator, Pumpe, Verdichter).
"Bild 3.7.1-2": Das Lufteintrittssystem (Lit. 3.7-13 und 3.1.2.2-2) einer Gasturbinenanlage ( "Bild 3.7.1-1") kann recht komplex sein. Seine Komponenten sind auf die unterschiedlichen Aufgaben spezialisiert (Lit. 3.7-7 und Lit. 3.7- 13). Abhängig von den örtlichen Notwendigkeiten und den Betreiberwünschen sind nicht notwendigerweise immer alle möglichen Einbauten vorhanden. Das Bild zeigt schematisch die einzelnen Komponenten und ihre Anordnung. Die Umgebungsluft tritt links ein.
(A) Wetterschutz, (B) Schutzgitter (gegen Tiere wie Vögel und Katzen),(C) selbstreinigendes Filtersystem älterer Bauart (siehe Bild 3.6.3-3), (D) zweite Filterstufe, (E) Bypass (bei Filterverstopfung), (F) Schalldämpfer (Abschirmung der Umgebung gegen Verdichterlärm), (G) Luftvorwärmer (gegen Vereisung, siehe "Bild 1.1-1" und "Bild 3.7.1-5"), (H) Gehäuse.
"Bild 3.7.1-3": Dieses Bild (Lit 1.1-7) zeigt die historische Entwicklung der Filter. Es demonstriert gleichzeitig die Vielfalt der Filtersysteme (Lit 3.1.2.2-2) die auch kombiniert werden und so nahezu jeder anwenderspezifischen Forderung gerecht werden können.
Zuerst wurden Systeme eingeführt, die Aufrauung der Beschaufelung durch Erosion und kleine Fremdkörpereinschläge verhinderten ( "Bild 3.1.1-2"). So ließen sich schadensrelevante geometrische Veränderungen am Profil vermeiden. Für diese Anwendung sind feuchte oder trockene Rollfilter typisch. Der Filterwiderstand solcher Geräte dürfte nicht zu vernachlässigen sein.
Um größere Partikel mit möglichst wenig Filterwiderstand bei hohen Luftdurchsätzen abzuscheiden, wurden Trägheitsfilter eingeführt. Davon gibt es heute zwei Grundtypen, solche die mit ebenen Schaufeln eine Strömungsumlenkung bewirken und solche welche die Strömung in eine Drehbewegung versetzen. In beiden Fällen wird die Strömung so umgelenkt, dass die Partikel in die Außenzone der Strömung zentrifugiert werden. Dort lassen sie sich mit einer abgespaltenen Strömung abscheiden. Diese Filtersysteme haben insbesondere bei kleinen Partikeln einen schlechten Abscheidegrad (Bilder 3.1.2.2-7 und Bild 3.7.1- 3). Bei extremem Staubanfall wie in Wüstenregionen können trotz dieser Filter durchaus gefährliche Staubmengen in die Maschine gelangen.
Kleine Partikel unter 0,01 mm können sogenanntes Fouling hervorrufen. Sind zusätzlich korrosive Medien wie verschmutztes Schwitzwasser vorhanden, besteht Korrosionsgefahr. Um solche Schäden zu verhindern, wurden hochwirksame Filtersysteme eingeführt. Diese lassen sich in zwei Hauptgruppen unterteilen: Filter mit Tiefenwirkung und Oberflächenfilter. Wie die Begriffe bereits aussagen, sammeln sich beim Oberflächenfilter die Partikel an der Oberfläche und bilden dort einen “Filterkuchen” der die Wirksamkeit des Filters zusätzlich steigert. Der Tiefenfilter lenkt in seiner Struktur den zu filternden Luftstrom so um, dass die Partikel im Innern des Mediums festgehalten werden. Der Nachteil dieser Filtersysteme sind relativ kurze Wartungsbzw. Austauschintervalle. Diese, für kleine Partikel hoch effektiven Filtersysteme, sind heute die Filter der Wahl. Sie werden gegebenenfalls mit vorgeschalteten Trägheitsfiltern, die kein Verstopfungsproblem haben, oder gröberen Plattenfiltern, die sich schnell und preiswert austauschen lassen, kombiniert. Besonders anspruchsvolle Bedingungen liegen dann vor, wenn die Ansaugluft mit viel Feuchtigkeit beladen ist. Solche Bedingungen sind für Ölbohrplattformen typisch.
Eine weitere Evolutionsstufe sind selbstreinigende Systeme, die einen minimalen Wartungsaufwand für das Filtersystem ermöglichen sollen. In diesen Anlagen sind hochwirksame rohrförmige Oberflächenfilterelemente vertikal angeordnet. Wenn der Filterwiderstand einen Grenzwert erreicht, wird der Filterprozess für das betroffene Element kurzzeitig gestoppt. Von der Austrittseite der Filterelemente her wird dann ein Luftdruckstoss (Lit 3.7.1-2) ausgelöst. Er sprengt die abgelagerten Partikel ab. Diese fallen zu Boden und können von dort entsorgt werden. Filtersysteme dieses Typs haben sich auch in kalten Umgebungen bei Schnee und Vereisungsbedingungen ( "Bild 3.7.1-4.1" und "Bild 3.7.1-5") bewährt.
Für die Auswahl eines Filtersystems (Lit 3.7.1- 7) gilt:
Es ist besonders auf eine ausreichende Langzeitwirkung zu achten. Die Filterwirkung im Neuzustand ist kein ausreichendes Kriterium (Lit 3.1.2.3-1)
"Bild 3.7.1-4.1": Grundsätzlich gibt es nach Lit 1-1 zwei Hauptformen der Vereisung ( "Bild 3.7.1-4.1" und "Bild 3.7.1-5"). Sie treten bei stationärem Betrieb wie auch in Prüfständen auf: Ein Vereisen des Verdichtereintritts oder eine Vereisung des gesamten Standes. Die Vereisungsformen unterscheiden sich in der Entstehungstemperatur. „A“ Vereisung des Verdichtereintritts kann abhängig von der jeweilig herrschenden Luftfeuchtigkeit auch bei Umgebungstemperaturen die merklich über dem Gefrierpunkt liegen, eintreten ( "Bild 3.7.1-4.2").
„B“ Allgemeine Standvereisung benötigt Temperaturen um oder unter dem Gefrierpunkt und kondensiertes Wasser. Das Eis kann sich in diesem Fall sowohl am Einlauftrichter als auch am Verdichtereintritt aufbauen ( "Bild 3.7.1-5"). Besonders gefährdet sind eventuelle FOD-Gitter am Einlauftrichter. Sie können so schnell vereisen, dass sie durch den sich bildenden Unterdruck sogar von der Maschine angesaugt werden.
"Bild 3.7.1-4.2": Eine Vereisung des Ansaugbereichs kann Schäden in der Gasturbine auslösen ( "Bild 1.1-2" und "Bild 3.7.1-5"). H.J.Willcocks beschreibt in Lit. 3.7-3 die für Vereisungen im Verdichtereinlauf wichtigen Bedingungen. Von besonderem Einfluss auf die Strömungstemperatur ist die Luftgeschwindigkeit und die Luftfeuchte. TT (T-Total) ist die Temperatur ruhender trockener Luft (niedrige relative Luftfeuchtigkeit), TS die Temperatur des trockenen Luftstroms. Durch die erhöhte Strömungsgeschwindigkeit und damit dem Druckabfall im Einlauf sinkt die Temperatur der vorher ruhenden trockenen Luft um mehrere °C. Diese Absenkung (graues Feld) ist von der relativen Luftfeuchtigkeit abhängig. Je höher die Luftfeuchtigkeit, umso mehr Energie wird bei der Kondensation frei. Das verringert den Temperaturabfall. Dieser steht aber auch im Zusammenhang mit der Trägheit des Kondensationsvorgangs. Die Verweilzeit im Einlauf ist wegen der hohen Strömungsgeschwindigkeit deutlich zu kurz, um den Gleichgewichtszustand der Kondensation zu erreichen. Das vermindert die tatsächliche Temperaturanhebung. Für Luft mit einer relativen Luftfeuchtigkeit von nahezu 100 % ist mit für einen Verdichtereinlauf typischen Geschwindigkeitswerten ein Temperaturabfall von mehreren °C zu erwarten
Im Ansaugbereich einer Gasturbine kann also Vereisungsgefahr bestehen, auch wenn die Temperatur der Umgebungsluft über 0°C liegt.
"Bild 3.7.1-5": Vereisung von Gasturbinenanlagen bei extrem kaltem Wetter werden von J.Dickson (Lit 3.7-4 und 3.7-5) beschrieben. Es gibt abhängig von der Herkunft der Feuchtigkeit zwei Typen der Vereisung:
Die Vereisung durch gefrierenden Niederschlag erfordert Wasser im Luftstrom von unter 0°C. Wasser kann dabei in vielfältiger Form auftreten, als Schnee, Graupel, gefrierender Regen, schwebende Eiskristalle, Nebel und unterkühlte Tropfen. Ein unterkühlter Tropfen erstarrt beim Auftreffen auf eine Oberfläche schlagartig. So entstehen innerhalb von Sekunden zentimeterstarke Milcheisschichten. Durch solche Schnee- und Eisablagerungen kann der Ansaugwiderstand unzulässig erhöht werden. Zusätzlich besteht die Gefahr des Eiseintritts in den Verdichter. In diesem Fall ist mit größeren Fremdkörperschäden zu rechnen. Bei einem bestimmten Derivattyp mit ca. 3000 kW Leistung kann z.B. ein handgeformter Schneeball von ca. 10 cm Durchmesser zum Totalschaden des Axialverdichters führen.
Vereisungsprobleme können in verschiedenen Bereichen des Anlageneintritts auftreten:
“A”: Starke Raureifbildung z.B. vor dem Einlauffilter. Raureif entsteht dann, wenn übersättigte Luft verwirbelt wird und mit kalten Flächen in Berührung kommt.
“B”: Eisbildung und Eiszapfen am Eintrittsschalldämpfer.
“C”: Die Vereisung der Bypassklappe erhöht das Risiko einer blockierten Luftzufuhr. Bei Betätigung der Klappe besteht die Gefahr, dass abplatzendes Eis in den Verdichtereintritt gelangt.
“D”: Vereisungen im Ansaugraum. Eis und Eiszapfen können an jedem Vorsprung im Einlaufkanal entstehen und sind potenzielle Fremdkörper. Hier wird eine sog. Bodenvortex die auch Wände und Decke erreicht wirksam (siehe auch "Bild 3.1.2.2-2"). Besonders gefährlich sind Eiszapfen an der Ansaugraumdecke. Sie können abbrechen und in den Verdichtereinlass fallen.
“E”: Vereisung des Verdichtereintritts, des Einlauftrichters (bellmouth), der Eintrittsleitschaufeln oder der vorderen radialen Gehäusestreben. Hierzu gehört die Vereisung durch gefrierendes Kondenswasser (Kondensateis) bereits bei relativ hohen Temperaturen ( "Bild 3.7.1-4.1" und "Bild 3.7.1-4.2").
Weitere Probleme: Vereisung externer Kühlluftwärmetauscher wie sie z.B. Dundas für eine Heavy Frame Maschine beschreibt. Schmieröl- (hohe Viskosität) und Schmiersystemprobleme (Ölkühler).
Abhilfen: In der Fachliteratur wird eine Vielzahl vorbeugender Maßnahmen angegeben, um Probleme mit Vereisung und niedrigen Umgebungstemperaturen zu vermeiden.
"Bild 3.7.1-6": Unter Abgasfouling versteht man die unerwünschte Beeinflussung (Lit 3.7.1-6) der nachgeschalteten Peripherie (“B“) (siehe "Bild 3.7.1-1") durch Ablagerungen aus dem Gasstrom. Es kommt zur Profilveränderung von Leitflächen, Aufrauung durch Korrosion und Oxidation (“A“). Diese Veränderungen lassen den Strömungswiderstand ansteigen. Die Folge ist ein erhöhter Druck hinter der Turbine, der die Leistung beeinträchtigt. Je niedriger die Gasgeschwindigkeit und die Wandtemperatur, umso höher ist die Foulingrate bzw. Foulinggeschwindigkeit. Sie zeigt sich in einem Anstieg des Strömungswiderstands während der Betriebszeit. Dabei ist die Gasgeschwindigkeit der entscheidende Parameter. Die Foulingrate ist anfangs am höchsten und nimmt über der Betriebszeit auf einen nahezu konstanten, niedrigen Wert ab.