Dampfturbinenausfälle: Ursachen erkennen, Risiken reduzieren

Dieser Artikel erschien ursprünglich in Modern Power Systems.

Dampfturbinen sind kritische Komponenten in der Energieerzeugung und in zahlreichen industriellen Prozessen. Trotz der Fortschritte bei der Auslegung, bei Werkstoffen und Instandhaltungspraktiken kommt es jedoch weiterhin zu Ausfällen von Dampfturbinen. Diese Ausfälle führen häufig zu erheblichen ungeplanten Stillständen, Schäden an Anlagen, Produktionsausfällen und Auswirkungen auf den Geschäftsbetrieb.

Dampfturbinen sind für den Betrieb innerhalb klar definierter Parameter ausgelegt. Hierzu zählen Temperatur, Druck, Dampfqualität und -reinheit, Schwingungen sowie Betriebsparameter. Abweichungen von den Auslegungsparametern können die Beanspruchung von Komponenten erhöhen, deren Alterung beschleunigen und mechanische Ausfälle begünstigen.

Dieser Artikel analysiert die von FM festgestellten Ausfalltrends mit Schwerpunkt auf den drei häufigsten Schadensursachen. Darüber hinaus werden praxisnahe Strategien zur Risikominderung vorgestellt, die darauf abzielen, die Zuverlässigkeit zu erhöhen, die Lebensdauer der Anlagen zu verlängern und Betriebsunterbrechungen zu reduzieren.

Was sind einige der wichtigsten Schadenursachen bei Dampfturbinen?

Schäden an Turbinenschaufeln und weiteren Komponenten des Strömungspfads

Schäden im Dampfpfad der Turbine gehören weiterhin zu den häufigsten Ursachen für Ausfälle von Dampfturbinen. Diese Schäden werden häufig auf Schäden durch turbineninterne Fremdkörper (Domestic Object Damage, DOD) zurückgeführt, die infolge interner Bauteilversagen entstehen, sowie auf Schäden durch externe Fremdkörper (Foreign Object Damage, FOD), die durch das Eindringen von Fremdmaterial in die Turbine verursacht werden.

Obwohl der ursprüngliche Schaden oft auf einen begrenzten Bereich beschränkt ist, können nachgelagerte Komponenten erheblich beschädigt werden, was häufig zu längeren Betriebsunterbrechungen und hohen Reparaturkosten führt.

Materialermüdung, Ermüdung durch hohe oder niedrige Lastspielzahlen (High and Low Cycle Fatigue), Materialwanderung, Kriechen, Aufprallschäden, Korrosion, Erosion sowie unzureichende Programme zur Vermeidung des Eindringens von Fremdmaterialen.

Viele Dampfturbinen sind zudem in einem anspruchsvollen Energiemarkt im Einsatz. Infolgedessen werden sie zunehmend mit höherer Laständerungsgeschwindigkeit betrieben, laufen häufiger im Teillastbetrieb und häufiger im Zweischichtbetrieb. Dadurch steigt die Beanspruchung kritischer Komponenten, was zu einigen der zuvor genannten Schadensursachen beiträgt.

Der Zweischichtbetrieb ist erforderlich, um Spitzen im Stromverbrauch abzudecken. Diese Betriebsart hat eine erhebliche Auswirkung auf die Betriebssicherheit und Zuverlässigkeit der Turbine, da sie die Alterung von Komponenten beschleunigt. Dies kann zu höheren thermischen Spannungen und Materialermüdung führen, was wiederum vorzeitige Ausfälle begünstigt und zu Schäden durch turbineigene Fremdkörper (Domestic Object Damage, DOD) beitragen kann.

Die Turbine wird in Teillast betrieben, wenn die Nachfrage gering ist. Dies unterstützt die Stabilität des Stromnetzes und ermöglicht eine schnelle Erhöhung der Leistung bei Bedarf. Der Teillastbetrieb kann jedoch zu Wirkungsgradverlusten, einem erhöhten Wärmeverbrauch und einer stärkeren Anfälligkeit für Ermüdungserscheinungen führen. Diese Bedingungen können die Leistungsfähigkeit beeinträchtigen und die Lebensdauer der Turbine verkürzen.

Eine präzise Kontrolle der Wasserchemie und eine hohe Dampfreinheit sind von entscheidender Bedeutung. Eine unzureichende Wasseraufbereitung oder Kontamination können zu Korrosion, Kesselsteinbildung und Ablagerungen führen, was den Wirkungsgrad und die Zuverlässigkeit der Turbine beeinträchtigt. Korrosion kann ebenfalls zu Komponentenausfällen und daraus resultierenden Schäden durch turbineneigene Fremdkörper beitragen. Insbesondere kann sie Lochfraß und Spannungsrisskorrosion verursachen. Dabei handelt es sich um eine schwerwiegende Schadenart, die unter Zugspannung in korrosiven Umgebungen auftritt. Die Schaufeln der letzten Stufe sind aufgrund der Einwirkung von Nassdampf und hohen Zugspannungen besonders anfällig.

Zu den Maßnahmen zur Reduzierung von Schäden im Strömungspfad zählen unter anderem:

• Einführung und konsequente Umsetzung eines robusten Programms zur Vermeidung des Eindringens von Fremdmaterial (FME), das auf alle der Turbine vorgelagerten Systeme ausgeweitet wird. Regelmäßige Überprüfung und Auditierung des Programms einschließlich Inspektionen zur Sicherstellung der Einhaltung der Vorgaben.
• Betrieb innerhalb der Auslegungsparameter. Abweichungen von den Auslegungsparametern sollten vollständig gemeinsam mit dem OEM oder externen Fachspezialist*innen bewertet werden. Änderungen müssen im Rahmen eines formalen Änderungsmanagementverfahrens („MOC – Management of Change“) dokumentiert werden, einschließlich relevanter Gefährdungsanalysen für Prozesse.
• Der Instandhaltungsplan sollte auf Grundlage der Erkenntnisse aus ungeplanten Ereignissen und Ausfällen kontinuierlich überprüft und aktualisiert werden.
• Verwendung von OEM-zugelassenen Ersatzteilen oder Durchführung einer umfassenden Prüfung von Komponenten anderer Hersteller, um sicherzustellen, dass sie die ursprünglichen Auslegungsspezifikationen erfüllen oder übertreffen.
• Überwachung und Aufrechterhaltung der Wasserchemie und Dampfqualität sowie Festlegung vordefinierter Maßnahmenpläne für chemische Abweichungen.
• Ein etabliertes Programm für das Stillstandsmanagement einschließlich Bauteilinspektionen und Verfahren zur Qualitätssicherung.
• Umsetzung relevanter Kundeninformations-Bulletins des OEM. Diese Informationen weisen darauf hin, dass auf einer vergleichbaren Dampfturbine wahrscheinlich bereits ein entsprechendes Problem aufgetreten ist.

Lagerschäden

Gleit- und Drucklager tragen die radialen und axialen Lasten des Turbinenläufers. Gleitlager nutzen einen hydrodynamischen Ölfilm, um die Reibung zu minimieren und die Wärmeentwicklung bei hohen Drehzahlen zu reduzieren. Drucklager, in der Regel als Kippsegmentlager ausgeführt, gewährleisten die axiale Positionierung gegenüber druckbedingten Kräften.

Es gibt verschiedene Schadenmechanismen, darunter Fehlausrichtung, Überhitzung, mangelhafte Ölqualität, Schwingungen und Schmierölverlust. Auf Grundlage der FM Schadenhistorie ist Schmierölverlust die häufigste Ausfallursache. Dieser wird häufig durch Ölkontamination, den Ausfall der Ölversorgung oder eine ungeeignete Ölviskosität verursacht. All diese Faktoren können zu Metall-auf-Metall-Kontakt führen.

Gleichstrom-(DC-)Schmierölsysteme sind von entscheidender Bedeutung, um vor den Folgen eines Schmierölverlusts zu schützen. Diese Systeme werden in der Regel bei niedrigem Öldruck infolge des Ausfalls der Notschmierölpumpe (Wechselstrom) aktiviert und ermöglichen ein sicheres Auslaufen der Dampfturbine.

Die FM Schadenhistorie zeigt zahlreiche Fälle, in denen Gleichstromsysteme nicht funktioniert haben. Diese Ausfälle führen häufig zu einem Abschmieren der Weißmetallschicht auf den Lageroberflächen sowie zu Schäden am Turbinenläufer. Zu den häufigsten Ursachen zählen eine unzureichende Wartung und Prüfung des Batteriesystems. In einigen Fällen haben spezifische Anforderungen der Anlagensteuerung verhindert, dass die Notschmierölpumpen (Gleichstrom) anlaufen.

Zu den Maßnahmen zur Verringerung von Lagerschäden zählen:

• Regelmäßige Probenahme und Analyse des Schmier- und Steueröls sowie die Umsetzung von Korrekturmaßnahmen zur Aufrechterhaltung einer optimalen Ölqualität.
• Einführung strenger Maßnahmen zur Qualitätssicherung (QA) und Qualitätskontrolle (QC) bei Wartungsarbeiten, um eine ordnungsgemäße Installation und Ausrichtung sicherzustellen.
• Regelmäßige Prüfung der Notschmierölpumpen (Gleichstrom) sowie Sicherstellung, dass eine geeignete Strategie zur Batteriewartung implementiert und konsequent eingehalten wird.
• Regelmäßige Trendanalysen der Lagertemperaturen und Schwingungen.
• Sicherstellung, dass die Druckleitung der Notschmierölpumpe (Gleichstrom) den Ölkühler und den Filter umgeht.
• Entfernung des thermischen Überlastschutzes des Motors der Notschmierölpumpe (Gleichstrom), um zu verhindern, dass die Pumpe während eines Notfalls abgeschaltet wird.
• Entfernung oder Verriegelung in Offenstellung aller in den Druckleitungen der Notschmierölpumpen (Wechselstrom und Gleichstrom) vorhandenen Ventile. Dies sollte im Rahmen eines Genehmigungsverfahrens nach dem Abschalt-/Unterbrechungsprinzip (LOTO) erfolgen.

Motorbetrieb und Überdrehzahl

Zu den kritischsten unerwünschten Betriebsereignissen in Dampfturbinen-Generator-Systemen zählen Motorbetrieb und Überdrehzahl. Beide können zu schweren mechanischen Schäden und langandauernden ungeplanten Stillständen führen. Die FM Schadenhistorie zeigt, dass die erste Reaktion der Anlagenfahrer maßgeblich dazu beiträgt, ob Schäden begrenzt oder verhindert werden können.

Motorbetrieb tritt auf, wenn der Generator-Leistungsschalter bei Rückleistung nicht auslöst. In diesem Fall wird Leistung aus dem Netz bezogen, wodurch der Generator faktisch als Motor arbeitet. Sind die Frischdampfventile geschlossen, wie dies bei einer Abschaltung häufig der Fall ist, entfällt die Kühlwirkung des Dampfstroms. Dies führt dazu, dass sich rotierende Komponenten durch Reibung an verbleibender Luft oder Restdampf überhitzen. Mit steigender Temperatur kann die thermische Ausdehnung zu einem Kontakt zwischen Schaufeln und Gehäuse führen, was schwerwiegendes Schleifen, den Bruch von Schaufeln sowie erhebliche Schäden an den Komponenten des Wellenstrangs zur Folge haben kann. Die wirksamste Gegenmaßnahme besteht darin, den Generator-Leistungsschalter (oder einen entsprechenden nachgeschalteten Leistungsschalter) unverzüglich zu öffnen, um den Motorbetrieb zu beenden.

Überdrehzahl tritt auf, wenn der Dampfturbine unbeabsichtigt Dampf zugeführt wird, während der Generator vom Netz getrennt ist. Da keine elektrische Last vorhanden ist, die der Drehbewegung entgegenwirkt, beschleunigt die Turbine rasch. Die dabei entstehenden Fliehkräfte können die Auslegungsgrenzen überschreiten und zum Bruch von Schaufeln, zu einer Rotorunwucht sowie in der Folge zu Schäden an Komponenten des Wellenstrangs führen.

Die von FM durchgeführten Schadenuntersuchungen haben gezeigt, dass die Unterscheidung zwischen Motorbetrieb und Überdrehzahl von entscheidender Bedeutung ist. Konzentrieren sich Anlagenfahrer*innen während eines Motorbetriebsereignisses auf die Dampfventile, läuft die Turbine weiterhin im Motorbetrieb. Lösen Anlagenfahrer*innen den Leistungsschalter aus, während der Turbine noch Dampf zugeführt wird, kann dies zu einem Überdrehzahlereignis führen.

Zu den Maßnahmen zur Verringerung des Risikos von Motorbetrieb und Überdrehzahl zählen:

• Entwicklung klarer und prägnanter Notfallverfahren.
• Durchführung szenariobasierter Schulungen für alle Schichtteams zur Festigung der korrekten Abläufe.
• Regelmäßige elektrische Prüfungen kritischer Leistungsschalter und Relais, um deren zuverlässige Funktion sicherzustellen.
• Überholung und Inspektion der Dampfturbinenventile in den vom OEM empfohlenen Intervallen, um eine ordnungsgemäße Abdichtung und Betätigung sicherzustellen.
• Durchführung von Prüfungen der Überdrehzahl-Schutzvorrichtungen in den vorgesehenen Intervallen sowie Wartung sämtlicher sicherheitsrelevanter Einrichtungen.

Welche weiteren Empfehlungen stehen zur Verfügung?

Die Erkenntnisse aus der Analyse von Dampfturbinendaten, bewährte ingenieurtechnische Verfahren sowie Erfahrungen aus der Industrie fließen in das FM Datenblatt zur Schadenverhütung, Steam Turbines, 13-3 (nur auf Englisch verfügbar) ein. Darüber hinaus enthält das Datenblatt weitere Empfehlungen und Vorschläge zur Risikoverbesserung, um das Risiko von Großschäden an Ihren Standorten zu reduzieren.

FM Datenblätter