Anpassung der Speisewasserpumpendesigns an die Fortschritte in gasbefeuerten Kraftwerken

Jul 14, 2023

Speisewasserpumpe ohne Isolierung. (Bildquelle: Sulzer AG)

Gasturbinenhersteller haben größere und effizientere Einheiten entwickelt, die durch fortschrittliche Speisewasserpumpen (FWP) unterstützt werden müssen, um langfristige Zuverlässigkeit und Kosteneffizienz zu gewährleisten.

Patrick Welz – Head of Tendering EMEA bei Sulzer, untersucht, wie Betreiber und Hersteller zusammenarbeiten können, um Leistung und Zuverlässigkeit zu optimieren.

In den letzten 20 Jahren wurde immer mehr Energie durch Wind- und Solaranlagen geliefert. Diese erneuerbaren Quellen erzeugen zeitweise Strom, was bedeutet, dass traditionellere Anlagen wie GuD-Kraftwerke nun in der Lage sein müssen, die verbleibende Leistung entsprechend der Nachfrage auszugleichen.

Gleichzeitig hat sich mit der Einführung der H-Klasse auch die Größe der Gasturbinen erhöht, die in GuD-Kraftwerken mit einer Leistung von bis zu 1.600 MW installiert werden können. Die Planung und der Bau dieser Anlagen ist ein umfangreiches Unterfangen, das erhebliches Planungs- und Ingenieurswissen erfordert, um ein kostengünstiges und zuverlässiges Projekt zu gewährleisten.

Den Bedarf decken Gasturbinen der H-Klasse wurden von den vier großen Herstellern dieser Ausrüstung entwickelt, um dem erwarteten weltweiten Nachfragewachstum gerecht zu werden. Dies wurde mit der größeren Erzeugungskapazität aus erneuerbaren Quellen kombiniert, um ein robusteres Verteilungsnetz bereitzustellen. Darüber hinaus wird die bestehende Technik der kleineren GuD-Anlagen weiter installiert.

Dies hat zur Folge, dass viele Gasturbinen nicht mehr kontinuierlich laufen, sondern je nach Bedarf ans Netz geschaltet werden. Dies kann mehrere Stopp-Start-Zyklen pro Tag bedeuten, was neue Herausforderungen für die gesamte Ausrüstung im Kraftwerk mit sich bringen kann.

Während der ersten Entwurfsphase der H-Klasse-Turbine erkannten die Hersteller, dass die schiere Größe der Leistung sowie die schwankende Nachfrage Konstruktionsänderungen bei einigen anderen Geräten erfordern würden. Sie nutzten die Gelegenheit, gemeinsam mit Pumpenherstellern wie Sulzer parallel zu den Arbeiten an den Turbinen optimierte Pumpen zu entwickeln. Als die neue H-Klasse-Turbine zur Markteinführung bereit war, gab es auf diese Weise auch eine komplette Reihe von Pumpen und anderen Geräten, die den Leistungsanforderungen entsprachen und als komplette Stromerzeugungslösung installiert werden konnten.

Fallstudie: Flexibler, effizienter Betrieb Die Speisewasserpumpen sind von der Größe her führend im Feld und werden passend zur Konfiguration des Kraftwerks spezifiziert. Bei einer 1-zu-1-Lösung, bei der eine Gasturbine mit einer Dampfturbine betrieben wird, befinden sich typischerweise zwei FWPs in einer Betriebs-/Standby-Anordnung. In einer 2-gegen-1-Anordnung gäbe es drei FWPs, von denen zwei unter normalen Bedingungen arbeiten und eines im Standby-Modus.

Eine der jüngsten Installationen einer H-Klasse-Gasturbine erfolgte in Keadby 2, Großbritannien, wo das 840-MW-Kraftwerk eines der effizientesten der Welt ist. Um das in seiner Klasse führende Leistungsniveau zu erreichen, nutzt das Kraftwerk eine Vielzahl fortschrittlicher Technologien, und das britische Energieunternehmen SSE Thermal hat mit großen Technologieanbietern aus der ganzen Welt zusammengearbeitet, um das Kraftwerk zu entwerfen und zu bauen.

Während Siemens Energy die neue Gasturbine entwarf, die in der Anlage eingesetzt werden sollte, erweiterte Sulzer seine Produktpalette, um den gestiegenen Leistungsanforderungen dieser Ausrüstung gerecht zu werden. Tatsächlich hat Sulzer in enger Zusammenarbeit mit großen Gasturbinenherstellern die erste MD-Speisewasserpumpe ihrer Klasse entwickelt, die in Keadby 2 installiert wurde, um den unterschiedlichen Betriebsbedingungen gerecht zu werden und den Gesamtwirkungsgrad zu verbessern.

Das Kraftwerk nutzt eine 1-zu-1-Lösung und die Speisewasserpumpenkonfiguration von Sulzer wurde als am besten für die Anwendung geeignet ausgewählt. Eines der Design-Highlights ist das hydraulische Schubausgleichssystem, das eine Ausgleichstrommel und ein Axiallager umfasst, die für eine lange Lebensdauer unter extremen Betriebsbedingungen entwickelt wurden. Auch die Lager und das Schmiersystem sind für diese Anwendung optimiert und das Gesamtsystem ist unempfindlich gegenüber schnellen Temperaturschwankungen, die mit häufigen Start-Stopp-Vorgängen einhergehen.

Bauen für die Zukunft Der Prozess der Planung und des Baus neuer GuD-Anlagen ist langwierig und komplex; EPC-Verträge (Engineering Procurement and Construction) decken die wichtigsten Entwurfsaspekte mit dem Ziel ab, das Projekt im Rahmen des Budgets abzuliefern. Bei den zahlreichen beteiligten Pumpen stellt der EPC sicher, dass die neue Ausrüstung den Spezifikationen des Projekts entspricht.

Sehr oft sind an Projekten dieser Größenordnung mehr als ein EPC beteiligt, wobei jedem die Verantwortung für einen bestimmten Teil des Projekts übertragen wird. Dies kann jedoch bedeuten, dass die Verantwortlichen für die Speisewasserpumpen keine Interaktion mit dem Team haben, das an anderen Anlagen arbeitet. Durch den Abbau dieser Hürde kann ein erfahrener Pumpenhersteller wie Sulzer eine optimierte Lösung anbieten, die andere Hauptpumpendienste wie die Kondensatabsaugung und die Kühlwasserpumpen sowie einige andere Hilfspumpen umfasst, mit Beschaffungs- und Logistikeinsparungen für die Projekt.

Darüber hinaus werden die Langzeitleistung der Pumpen und ihre Gesamtlebenszykluskosten (LCC) oft kaum berücksichtigt. Für den Betreiber sind bewährte Zuverlässigkeit mit den damit verbundenen geringen Wartungskosten und optimale Effizienz entscheidende Faktoren für die Wirtschaftlichkeit der Anlage.

Optimierte Leistung Neben der Unterstützung der weltweit führenden Effizienzwerte tragen die MD-Pumpen auch zum Ziel einer minimierten Wartung bei. Die Betreiber von Keadby 2 haben beispielsweise einen 15-jährigen langfristigen Servicevertrag abgeschlossen, der erste seiner Art für eine Gasturbine der HL-Klasse in Europa. Die Konstruktionsmerkmale der Sulzer-Pumpen bieten branchenführende Verfügbarkeit bei robuster Konstruktion und sehr geringem Wartungsaufwand.

Für den Anlagenbetreiber sind Leistung und Zuverlässigkeit sehr wichtig, und das gilt für alle Anlagen auf dem Gelände. Die Auswahl eines Herstellers, der eine Reihe von Produkten liefern kann, die den Spezifikationen und Qualitätsanforderungen des Projekts entsprechen, kann erhebliche Vorteile bei der Vereinfachung der routinemäßigen Wartung und der Ersatzteilversorgung haben.

Wenn außerdem wichtige Lieferanten bei der Entwicklung ihrer Produkte zusammengearbeitet haben, ist deren Kompatibilität gewährleistet und die Integration in das größere Werk wird vereinfacht. Für die neueste Generation von Gasturbinen können Betreiber sicher sein, dass die unterstützende Pumpeninfrastruktur für diese Anwendung optimiert und vollständig getestet wurde.

Koordiniertes Vorgehen Durch eine engere Zusammenarbeit mit einem Hersteller, der über das Design-Know-how zur Lieferung kompletter Pumpenlösungen verfügt, können erhebliche Vorteile erzielt werden. Die Einbeziehung des Pumpenherstellers in die Gestaltung der Infrastruktur rund um Pumpenanlagen kann beispielsweise eine verbesserte Pumpenleistung gewährleisten und gleichzeitig den Platzbedarf und die Kosten der Struktur minimieren.

Jedes Gaskraftwerk kann unabhängig von der Größe der Turbine von der Konstruktionskompetenz eines im Stromerzeugungssektor erfahrenen Pumpenherstellers profitieren. Durch eine engere Zusammenarbeit können EPCs Leistungs- und Budgetziele erreichen, während Betreiber ein optimiertes System erhalten können, das langfristige Zuverlässigkeit und Effizienz bietet.

Quelle: Sulzer Ltd.