Herausforderungen für Turbinen-Bypassventile

May 14, 2023

Turbinen-Bypassventile gehören zu den schwierigsten Anwendungen in einem Kraftwerk. Der effiziente Betrieb dieser Ventile und die Vermeidung unerwarteter Ausfälle ist für den Anlagenbetrieb von entscheidender Bedeutung.

Wenn Ingenieure gebeten werden, die schwierigsten Regelventilanwendungen aufzulisten, werden ausnahmslos Turbinen-Bypassventile genannt. Häufige thermische Zyklen, hohe Druckabfälle und die Notwendigkeit einer dichten Absperrung bringen diese Ventile an ihre Grenzen. Leider neigen viele Anlagen dazu, diese Ventile zu ignorieren, bis sie ausfallen, was zu ungeplanten Ausfällen, Produktionsausfällen und hohen Kosten für die reaktive Wartung führt. Dieser Artikel enthält empfohlene Inspektionsmethoden, um Probleme im Voraus zu antizipieren und zu entschärfen, und bietet Upgrade-Alternativen für den Fall, dass ein Ventil repariert oder ersetzt werden muss.

Regelventile für den anspruchsvollen Einsatz werden in den schwierigsten Installationen in Prozessanlagen eingesetzt. Bei diesen Installationen handelt es sich üblicherweise um kavitierende, erosive, korrosive, laute Medien mit hohem Druck, hoher Temperatur, hohem Druckabfall oder Hochgeschwindigkeitsmedien. Turbinen-Bypassventile sind vielen dieser Prozessbedingungen ausgesetzt; Dennoch müssen sie einwandfrei reagieren und im geschlossenen Zustand leckagefrei bleiben.

Wie der Name schon sagt, werden Turbinen-Bypassventile verwendet, um Dampfturbinen beim Hoch- und Herunterfahren einer Anlage sowie beim Abschalten einer Turbine zu umgehen (Abbildung 1). Im Normalbetrieb sind die Ventile vollständig geschlossen und der gesamte Dampf wird durch eine Turbine gedrückt. Während des Startvorgangs leiten Bypassventile den Dampf von der Turbine ab, bis die Eigenschaften und Bedingungen des Dampfes für die Weiterleitung an die Turbine geeignet sind. Dieser Vorgang läuft beim Herunterfahren in umgekehrter Reihenfolge ab. Der Einsatz von Bypassventilen beim An- und Abfahren trägt zum Schutz der Turbine bei, indem potenziell nasser Dampf umgeleitet wird und sichergestellt wird, dass nur Dampf mit geeigneten Bedingungen und Strömungen zur Turbine selbst gelangt.

1. Je nach Kraftwerkskonstruktion können mehrere Turbinen-Bypassventile eingesetzt werden, um Dampf sofort um eine Turbine herumzuleiten, falls diese abschaltet. Mit freundlicher Genehmigung: Emerson

Sollte eine Turbine ausfallen, muss der Dampf weiter strömen, um Geräteschäden aufgrund von Überdruck und hoher Temperatur zu vermeiden. Daher öffnet sich das Turbinen-Bypassventil sofort, um den Fluss durch das System aufrechtzuerhalten.

Während des Betriebs nutzt eine Turbine Dampf, um Arbeit zu verrichten, wodurch die Temperatur und der Druck des Austrittsdampfes reduziert werden. Wenn ein Turbinen-Bypassventil öffnet, sinkt der Druck, aber der austretende Dampf bleibt ziemlich überhitzt, was möglicherweise zur Zerstörung der nachgeschalteten Ausrüstung führt. Um diese Situation zu vermeiden, verfügen Turbinen-Bypassventile entweder über ein Wassereinspritzsystem im Ventilgehäuse oder über einen separaten Wassereinspritz-Enthitzer direkt stromabwärts, um in beiden Fällen die Austrittsdampftemperatur zu senken.

Infolgedessen sind Turbinen-Bypassventile einem wahren Sturm erschwerter Betriebsbedingungen ausgesetzt. Während die Anlage in Betrieb ist, müssen diese Ventile dicht geschlossen bleiben, um Energieverschwendung zu vermeiden. Wenn eine Turbinenabschaltung auftritt, müssen die Bypassventile sofort reagieren, wodurch sie schnellen Temperaturänderungen ausgesetzt werden und sehr hohe Durchflussmengen bei hohen Druckabfällen durchlassen müssen, was zu hohem Lärm und möglicherweise extremen Vibrationen führt.

Angesichts des harten Betriebs sieht die Realität so aus, dass praktisch jedes Turbinen-Bypassventil letztendlich auf die eine oder andere Weise ausfallen wird. Leider werden viele dieser Ventile an schwer zugänglichen Stellen installiert, sind typischerweise festgeschweißt und neigen dazu, stark isoliert zu sein. Daher werden sie oft ignoriert, bis Probleme auftauchen. Dampfaustritt durch das Ventil ist normalerweise das erste Symptom, das bemerkt wird, es können jedoch auch weitaus schwerwiegendere und potenziell gefährliche Schäden auftreten.

Die extremen Druckabfälle erzeugen unweigerlich hohen Lärm und starke Vibrationen. Mit der Zeit ermüden diese Vibrationen in Verbindung mit häufigen Temperaturänderungen das Metall im Ventil, in den Wasseranschlüssen und in den Rohrleitungen selbst (Abbildung 2). Eine solche Metallermüdung kann unter Druck zu einem katastrophalen Versagen führen.

2. Mit der Zeit ermüden die hohen Vibrationen und der thermische Schock, denen Turbinen-Bypassventile ausgesetzt sind, das Metall und führen zu Rissen sowohl im Ventil selbst als auch in den umgebenden Rohrleitungen. Mit freundlicher Genehmigung: Emerson

Um dieses Problem zu vermeiden, sollten jedes Turbinen-Bypassventil und die zugehörigen Rohrleitungen regelmäßig überprüft werden. Eine Art zerstörungsfreie Untersuchung sollte regelmäßig durchgeführt werden, um Metallermüdungsprobleme zu erkennen, die sich möglicherweise entwickeln, aber noch nicht visuell erkennbar sind. Wenn einer Anlage das Wissen oder die Ausrüstung für die Durchführung dieser Inspektionen fehlt, kann der Ventilverkäufer oder ein autorisierter Vertreter mit der Durchführung von Turbinen-Bypass-Gesundheitsprüfungen beauftragt werden (Abbildung 3).

3. Eine routinemäßige Gesundheitsprüfung des Turbinen-Bypassventils und eine vollständige Inspektion werden dringend empfohlen. Metallermüdung kann an verschiedenen Schweißnähten am Ventil selbst sowie an den Einlass-, Auslass- und Wasserversorgungsleitungen auftreten (eingekreiste Bereiche). Mit freundlicher Genehmigung: Emerson

Fertigungsschweißungen am Gehäuse und am Wasserverteiler, Kundenanschlussschweißungen, Diffusorschweißnähte und umgebende Rohrleitungen können überprüft werden, um sich entwickelnde Probleme zu erkennen, bevor die Ausrüstung beeinträchtigt wird. Wassereinspritzdüsen und Enthitzer müssen ordnungsgemäß überprüft und gewartet werden, um Probleme im Zusammenhang mit Abschreckung und Rissbildung zu vermeiden.

Es bestehen auch Gefahren für Verkleidungsteile, beispielsweise durch Erosion der Sitzoberfläche. Eine häufige Erscheinungsform einer solchen Erosion, insbesondere am Stecker, wird oft als „Zahnradverzahnung“ bezeichnet. Dies tritt häufiger bei Abwärtsventilen auf, bei denen der Dampf durch die Käfiglöcher beschleunigt wird und dann direkt auf den Innengarnitur-/Sitzbereich trifft, was zu übermäßigem Verschleiß führt und die Lebensdauer verkürzt. Mit der Zeit erodiert und beschädigt dieser Hochgeschwindigkeitsdampf, der beim Start Wasser und bei jedem Zustand Magnetit enthalten kann, den Ventilsitz und die Innengarnitur (Abbildung 4).

4. Konstruktionen von Ventilgehäusen mit Abwärtsströmung sind anfällig für Schäden an der Innengarnitur, da der nasse, erosive Dampf durch den Käfig strömt und auf den Sitz trifft. Mit freundlicher Genehmigung: Emerson

Gängige Wartungsteile wie Weichspüler und Sprühdüsen können in der Regel relativ einfach und zu minimalen Kosten ausgetauscht werden. Verkleidungsteile, die aufgrund starker Abnutzung ausgetauscht werden müssen, wie zum Beispiel die Verzahnung, können recht kostspielig sein, insbesondere wenn ihre Lieferung beschleunigt werden muss. Das schlimmste Szenario für ein Turbinen-Bypassventil ist die Entwicklung von Metallermüdung im Ventilgehäuse oder Diffusor, was extreme Reparaturmaßnahmen oder sogar einen vollständigen Austausch des Ventils erforderlich macht.

Viele der derzeit in Betrieb befindlichen Turbinen-Bypassventile wurden während der Blütezeit des Baus von GuD-Anlagen von 1998 bis 2004 installiert. Die meisten dieser Ventile und Rohrleitungssysteme zeigen ihr Alter und weisen oft deutliche Anzeichen von Metallermüdung auf. Andere haben noch viel Leben in sich, könnten aber von technologischen Verbesserungen profitieren. Technologie und Verfahren haben sich verbessert, und ein Upgrade auf die neueste Dichtungstechnologie könnte dem Ventil neues Leben einhauchen.

Ein weiteres Beispiel für ein Technologie-Upgrade sind wiederholte Ausfälle bei einem geschweißten Diffusor. In diesem Fall reduziert ein abnehmbarer Zwei-in-Eins-Sitzdiffusor den Wartungsaufwand.

Wenn ein Turbinen-Bypassventil ausgetauscht werden muss, wird dem Anlagenpersonal dringend empfohlen, über den direkten Austausch hinauszugehen und mögliche Verbesserungen zu bewerten. Ein besonders wichtiger Punkt, der bei der Prüfung von Ersatz- und Verbesserungsmöglichkeiten berücksichtigt werden muss, ist die Ventilausrichtung.

Abwärtsströmende Ventile mit horizontalen Stellantrieben. In der Vergangenheit verwendeten die meisten Turbinen-Bypassventile eine nach unten strömende Trimmkonstruktion in Kombination mit einem horizontalen Stellantrieb (Abbildung 5, links). Diese Anordnung ist ideal für Standorte mit geringem Freiraum über Kopf und platziert den Aktuator für einen einfachen Zugang näher am Deck oder Boden, führt jedoch auf lange Sicht zu einer Reihe von Betriebsproblemen. Die Schwerkraft führt tendenziell zu erhöhtem und ungleichmäßigem Verschleiß der Verkleidungskomponenten und der seitlich montierte Aktuator ist anfällig für Reaktionsprobleme.

5. Abwärtsströmende Ventile mit horizontalen Stellantrieben (links) waren vor einigen Jahrzehnten die Hauptoption für Turbinen-Bypassventile. Neue Aufwärtsventilkonstruktionen (rechts) können in den meisten Fällen ohne Änderungen an den Rohrleitungen installiert werden, was eine längere Lebensdauer und eine verbesserte Leistung bietet. Mit freundlicher Genehmigung: Emerson

Abwärtsströmende Ventile mit vertikalen Stellantrieben. Eine bessere Möglichkeit zur Abwärtsströmung ist die vertikale Montage des Stellantriebs. Diese Anordnung führt zu einem geringeren und gleichmäßigeren Verschleiß, längeren Laufzeiten zwischen Wartungsausfällen und einer verbesserten Reaktion des Aktuators. Die Herausforderung bei dieser Ausrichtung besteht darin, dass Austauschmöglichkeiten in der Regel für horizontal montierte Aktuatoren bestehen und die beiden Designs ohne erhebliche Änderungen an den Rohrleitungen nicht ohne weiteres austauschbar sind.

Aufwärtsströmende Turbinen-Bypassventile . Wenn bei den bestehenden horizontalen Antrieben mit Abwärtsströmung ausreichend Platz zur Verfügung steht, kann eine Aufwärtsströmungskonstruktion problemlos die bestehenden Anforderungen des alten Ventils erfüllen und gleichzeitig den Verschleiß reduzieren, der bei Abwärtsströmungskonstruktionen mit horizontalem Antrieb üblich ist. wie z.B. Zahnradverzahnungen. Da die Innengarnitur lediglich von Durchfluss nach unten auf Durchfluss nach oben umschaltet, kann diese Änderung ohne Änderungen an vorhandenen Rohrleitungen vorgenommen werden.

Aufwärtsströmventile (Abbildung 5, rechts) verlängern die Lebensdauer von Sitz und Innengarnitur erheblich, da sich der Dampf relativ langsam bewegt, wenn er über Kegel und Sitz strömt (Abbildung 6). Während sich der Dampf durch die kleinen Löcher des Käfigs bewegt, beschleunigt er sich erheblich, doch diese Energie wird in den großen Körperhohlraum des Ventils abgeleitet, anstatt auf die Sitzfläche zu treffen.

6. Abwärtsströmende Ventile setzen den Sitz erosivem Hochgeschwindigkeitsdampf aus. Die nach oben strömenden Dampfgeschwindigkeiten sind viel geringer, da sie über den Sitz strömen und sich später beschleunigen, wenn der Dampf durch die kleinen Trimmlöcher strömt, was die Lebensdauer der Trimmung erheblich verlängert. Mit freundlicher Genehmigung: Emerson

Beachten Sie, dass die Aufwärtsströmungsgarnitur (Abbildung 7) zwar Erosion aufweist, aber im Vergleich zur oben gezeigten Abwärtsströmungsgarnitur (Abbildung 4 rechts) die Sitzfläche am Sitzring und am Kegel relativ unbeschädigt bleibt, sodass das Ventil absperren kann vollständig, der erforderliche Modus im Normalbetrieb.

7. Diese Bilder der nach oben strömenden Innengarnitur zeigen deutlich die erosive Wirkung von Hochgeschwindigkeitsdampf, aber im Gegensatz zu den zuvor gezeigten Schäden an der nach unten strömenden Innengarnitur weist dieses Ventil keine Schäden an der Sitzfläche auf und kann immer noch dicht schließen. Mit freundlicher Genehmigung: Emerson

Das Design des Ventils mit nach oben gerichtetem Durchfluss bietet immer noch das gleiche Ansprechverhalten und die gleiche Durchflusskapazität, aber die neue Durchflussanordnung verlängert die Lebensdauer der Dichtungen, des Sitzes und der Ventilinnenteile erheblich.

Turbinen-Bypassventile sind hochspezialisierte technische Geräte, die sorgfältig spezifiziert, installiert und gewartet werden müssen. Es ist daher ratsam, vor dem Kauf proaktiv zu sein und sich an vertrauenswürdige Experten zu wenden, da diese bei der Ventildimensionierung und -spezifikation basierend auf spezifischen Betriebsbedingungen behilflich sein können.

Bei bestehenden Installationen, bei denen ungeplante Ausfälle des Turbinen-Bypassventils Ihre Anlage gefährden, oder wenn die Turbinen-Bypassventile schon seit einiger Zeit vollständig überprüft wurden, wäre es ratsam, sich an den Lieferanten Ihres Turbinen-Bypassventils zu wenden, um Hilfe und Unterstützung zu erhalten.

Viele dieser Anbieter bieten umfassende Inspektions- und Zustandsprüfungsdienste an, um Bereiche zu identifizieren, in denen sich Metallermüdung und Spannungsrisse entwickeln. Im Idealfall kann das Ventil repariert werden. Wenn jedoch ein Austausch des Ventils gerechtfertigt ist, kann der Anbieter auch Hilfestellung bei der Bewertung von Bypass-Ventilkonstruktionen und der Auswahl der besten Option für die spezifische Anwendung geben.

—Chris Rollingist Produktingenieur in der Steam Conditioning Group bei Emerson.

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