Dienstag, 12. April 2011

Warum sind Dampfkraftwerke so träge?

Man glaubt es kaum, aber ich kriege tatsächlich Zuschauerpost. :-)

Sowas ist ja sehr erfreulich, und da antworte ich doch gerne wenn ich Zeit finde. Hier also die Frage des Lesers:
Wenn Du mal wieder Lust hast, uns Laien etwas über Kraftwerke beizubringen, dann würde mich interessieren, warum es so kompliziert ist und so lange dauert, eine konventionelles KW anzufahren. Gilt natürlich auch für's Abschalten...
Tja, so ein Verbrennungsmotor ist schneller in Betrieb, ne? Selbst ein riesengroßer Schiffsdiesel dürfte um Einiges flinker sein. Gasturbinen sind fixer, brauchen aber auch schon mindestens 5-10 Minuten bis zur Netzschaltung. Warum sind die großen Dampfpötte denn nun so schwerfällig?

Ganz simpel. Zwei Gründe sind maßgeblich. Der erste ist ganz einfach den spezifischen thermodynamischen Eigenschaften von Wasser geschuldet. Wie bei einem Kochtopf schon zu sehen, braucht es eine ganze Menge Energie und Zeit, um das darin befindliche Wasser zum Sieden zu bringen. Um es komplett zu verdampfen braucht es dann ja nochmal viel mehr Zeit. Das ist die eine Sache die uns bremst.

Der zweite Grund liegt in der Belastbarkeit des Materials und der Menge die davon an welcher Stelle verbaut wurde.
Jedes Metall ist ja nur in gewissen Grenzen belastbar. Das gilt für die mechanische Belastbarkeit genauso wie für die thermische. Man kann ein Metallstück z.B. biegen. Man kann es auch wieder zurückbiegen. Das Ganze auch mehrfach, aber irgendwann ist das metallische Kristallgefüge mal so geschwächt, dass das Werkstück reißt.
Genauso ist es mit Erwärmung und Abkühlung. Einmal Glühen und wieder abkühlen ist okay, mehrfach auch, aber zuviel davon bedeutet die Kristallstruktur so zu schwächen, dass das Material nachgibt.

Im Kraftwerk haben wir nun aber sowohl hohe mechanische Belastungen (sehr hohe Drücke), als auch thermische Belastungen gleichzeitig. Das führt normale Stähle schon an ihre Grenzen, also sind Spezialstähle notwendig. Aber auch diese "altern", wenn auch ihre Belastungsgrenzen weit höher liegen.
Fies sind dabei vor allem die Wechselbelastungen beim An- und Abfahren, weil das halt bedeutet von Zimmertemperatur und Normaldruck auf z.B. 400°C und 250 bar hochzuheizen, und wieder abzukühlen. Am Frischdampfaustritt/Turbineneintritt sind wir dann z.B. sogar bei 540°C.

Jetzt führen wir beide Zeithindernisse mal zusammen und nehmen uns den ganzen Komplex vor. Vor dem Kessel ist alles noch nicht so wild. Ich habe es hier beim Kesselspeisewasser schon mal ansatzweise beschrieben.
Im Verdampferbereich, der nun an der heißesten Stelle des Kessels, dem sogenannten Feuerraum (hier beschrieben) angeordnet ist, wächst die Belastung aber enorm an. Die Rohraußenwände bekommen die volle Flammentemperatur ab (ca 1000 - 1200°C), während im Rohrinneren das Wasser bei 370°C siedet. Dies aber nur mal als Beispiel, welchen Belastungen das Material da ausgesetzt sein kann.

Das Zeitproblem bekommen wir aber vor allem wegen der besonders dickwandigen Bauteile. Der ganze Wasser-Dampf-Kreislauf besteht ja nicht nur aus "dünnen" Einzelrohren, sondern eben auch aus großquerschnittigen Sammelrohren und den entsprechenden Absperrarmaturen, es gibt "Dampf-Sammler" und "-Verteiler" und eben auch die dicke Turbinenwelle aus Vollstahl und das eben auch sehr dicke Turbinengehäuse.

Da liegt die Crux. Je größer der Innendurchmesser eines zu durchströmenden Bauteils, desto stärker muss halt auch die Materialwanddicke sein. Große Innenfläche bei hohem Druck bedeutet halt eine immens größere Kraftwirkung aufs Material. Ne, is klar.
Viel Material bedeutet aber auch, dass die Durchwärmung deutlich länger braucht. Wie bei einer Coladose und einer gusseisernen Pfanne. Man kann in beide kochendes Wasser füllen, aber die Coladose lässt man wohl sehr viel schneller aus der Hand fallen, während man die Pfanne bestimmt lange auf der Hand stehen lassen könnte.
Das heißt nun, dass wir im dicken Stahl Thermospannungen bekommen, wenn die Innenseite schon sehr heiß wird (sich das Material also ausdehnt), aber außen noch alles kalt ist. Und das müssen wir unbedingt verhindern, denn sonst würde das Material noch schneller altern, oder vielleicht sogar ganz versagen. Peng!

Wir fahren dazu also alles anhand vorgegebener Transientenkurven langsam warm um solche Thermospannungen zu vermeiden. Die Leittechnik ist dabei sogar schon so intelligent, dass sie aus der Bauteilüberwachung den Alterungsprozess und Zustand des Materials mitberechnet und bei Temperatursteigerungen Grenzen setzt, die man manuell gar nicht mehr überfahren kann. Da sagt die Technik einfach "Stopp, warten!"

Dazu kommt jetzt noch etwas. Wir haben ja irgendwann an einer Stelle Dampf produziert, nicht wahr? Was würde nun passieren, wenn wir diesen Dampf einfach mal in eine kalte Rohrleitung strömen ließen? Er würde wieder kondensieren! Das ist auch völlig in Ordnung, solange wir es mit geringen Dampfmengen zu tun haben. Wir nutzen das ja auch aus, wenn wir die Rohrleitungen und Bauteile anwärmen. Dazu werden einfach Entwässerungsstutzen geöffnet, an denen das Kondensat wieder ablaufen kann. So erwärmen wir die Kiste halt Stück für Stück.

Aber würden wir z.B. die komplette Dampfmenge auf die kalte Turbine fahren, würden die vorn kondensierten Wassertröpfchen, vom durchschießenden Dampf mitgerissen, wie Geschosse auf den Turbinenschaufeln aufschlagen. Andersrum würde "kalter Dampf" in heißen Bauteilen wiederum Thermoschocks auslösen. Also alles schön langsam und geordnet!

(Nebenbei, in meinem ersten Ausbildungsjahr hatte ich mal fast die Hose voll, als ich meinen ersten "Wasserschlag" beim Öffnen einer Kesselentwässerung gehört habe. Es rumst echt gewaltig!)

Nuja, also alles dauert halt seine Zeit. Dazu kommen noch solche Spielchen wie eine mehrmalige Komplettdurchlüftung des Kessels vor dem Zünden, das Aufbauen eines künstlichen Vakuums im Maschinenkondensator, dies das jenes anwärmen und in Betrieb nehmen ... nuja. So in etwa vier bis sechs Stunden aus der kalten, zwei Stunden aus der heißen Reserve.

Abfahren geht dabei aber relativ schnell, wenn es sein muss. Nur beim langsamen "Kaltfahren" werden wieder peu a peu die Parameter eingesenkt um die Temperaturen gezielt herunter zu bekommen.

Kommentare:

  1. Danke, Calimero, für den schönen Artikel, der's auch einem EDVler mit Physikhintergrund verständlich macht. In der Theorie sieht das alles so simpel aus, aber in der technischen und optimierten Realisierung kommen halt Unmengen von Hilfsaggregaten dazu, ganz zu schweigen von den technisch bedingten Wandstärken usw. Verstehe ich das recht - man läßt also solange das Kondensat aus den Rohren labbern, bis keins mehr kommt?

    Herzliche Grüße, Thomas

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  2. Jupp Thomas,

    so in etwa. Aber jetzt nicht wie bei 'nem Wasserhahn aus der wand auf den boden, sondern über Entwässerungsleitungen in den Kondensatsammler.

    Da hat man meist sogenannte "Freientwässerungen" (Doppelabsperrarmatur manchmal auch mit nem zuschiebbaren Guckloch drunter), und auch automatische Entwässerungen (Kondensomaten), die nur dann ein bissl öffnen, wenn sich auch wirklich Wasser angesammelt hat. Einfachstes Prinzip wäre dabei mit einem Schwimmerhebel wie bei einem "negativen Toilettenspülkasten". ;-)

    Beste Grüße, Calimero

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  3. Oh, ich sehe gerade, dass das mit dem Anwärmen eventuell missverständlich ist.
    Man nutzt dafür sogenannte Anwärmleitungen. Das sind einfach dünne Rohrstrippchen, die die geschlossenen(!) Absperrarmaturen umgehen. So gelangt ein kleiner Dampfteilstrom sozusagen um einen fetten Absperrschieber, oder ein Ventil herum und wärmt damit das Bauteil von beiden Seiten an. Die nachfolgende Rohrleitung natürlich ebenso.

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  4. Ah, verstehe. Da, wo in den Prinzipzeichnungen ein dickes Ventil eingezeichnet ist, sitzt in Wirklichkeit das Ergebnis jahrzehntelanger Optimierungen. Naja, mit Dampf geht man halt schon recht lange um!
    Werden diese Armaturen denn alle von Hand bedient? Wahrscheinlich sind die ständig nachzuregulierenden motorgetrieben, aber die, die man nur in bestimmten Phasen braucht, auch?

    Herzliche Grüße,
    Thomas

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  5. Früher war noch vieles händisch zu bedienen, heute ist fast alles elektrisch-, oder hydraulikbetrieben. Das Wenigste ist überhaupt nur "vor Ort" bedienbar, man hat eigentlich fast alles mit der Maus am Monitor im Griff. Vieles greift sich auch eine Automatiksteuerung.

    Manche "exotischeren" Entwässerungen werden aber noch bei Bedarf "nach der Väter Art" geöffnet oder geschlossen.

    Als ich damals gelernt habe, gab es unter unseren Turbinen den sogenannten "Igel". Das war ein Kondensatsammler, auf den sämtliche Turbinenentwässerungen gingen. Jede Entwässerung hatte zwei Handventile, und so bestand die Außenansicht dieses "Igels" aus drei übermannshohen Wänden voller Handräder, die nach der Netzschaltung der Generators z.B. vom armen Calimero alle zugedreht werden mussten.

    Da waren die Arme aber gut lahm danach, wenn man allein vor Ort war. ;-)

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  6. Erklärung für Standardabiturienten:
    Das Anfahren dauert so lange, weil man das Wasser erst aufheizen und einen ausreichenden Druck erzeugen muß. Und das dauert eben etwas.
    Wasser in einem Schnellkochtopf kocht ja auch nicht sofort, wenn man den Herd anschaltet;)

    So ein Dampfkraftwerk ist wie ein StrichAcht, bevor man den auf Tempo 100 bekommt, muß man eben erstmal eine halbe Stunde Vollgas geben (danach ist er aber nicht mehr zu stoppen).

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