In der elektrischen Energietechnik des Jahres 2017, in der Wärmekraftwerke immer noch mit weitem Abstand an der Spitze der Erzeuger stehen, gibt es wohl keine wichtigere Maschine als die Verbindung von Dampfturbine und Synchronmaschine zum sogenannten Turbosatz. Egal ob fossil befeuert oder nuklear, ob CSP– oder Müllkraftwerk – am Ende des Prozesses sitzt stets ein Turbosatz, der aus Wärme Strom macht.

Dampfturbinen sind empfindliche Maschinen, sorgfältig montiert aus präzise gefertigten Teilen, auf die große Kräfte wirken. Hauptbestandteil sind der Läufer, ein großes Schmiedestück an dem mehrere Hundert genau ausgerichtete Schaufeln sitzen und das Gehäuse, in dem er sich bewegt. Der Läufer muss auf Bruchteile eines Milimeters genau auf das Gehäuse ausgerichtet werden, damit er sich sauber drehen kann, er muss genau gefertigt sein, um Unwucht zu vermeiden. Und die Arbeitsmaschine muss ebenfalls sehr präzise ausgerichtet werden, was Längs- und Querversatz angeht. Ich hatte ein Mal die Gelegenheit, den Handwerkern über die Schulter zu gucken, wie sie das machen und es ist faszinierend, riesen Kerlen mit Armen wie anderer Leute Beine dabei zuzusehen, wie sie an riesen Maschinen mit ganz feinem Uhrmacherwerkzeug arbeiten. Ich habe noch nie so ruhige Hände gesehen. Da sind Gehirnchirurgen am Werk. Sagenhaft.

Ein Turbinenläufer aus einem Kernkraftwerk in Originalgröße - zu besichtigen im Technikmuseum Speyer (Bildlizenz: CC BY 3.0)

Ein Turbinenläufer aus einem Kernkraftwerk in Originalgröße – zu besichtigen im Technikmuseum Speyer (Qulle: Wikipedia, Bildlizenz: CC BY 3.0)

Wenn das Kraftwerk läuft, dreht sich der Turbosatz mit 3.000 bzw. in Amerika 3.600 oder bei sehr großen Maschinen 1.500 bzw. 1.800 Umdrehungen pro Minute. Von der Drehzahl hängt die Frequenz des erzeugten Stromes ab (oder eigentlich richtiger: Von der Drehzahl hängt die Frequenz der in den Generatorwicklungen induzierten Wechselspannung ab). Turbinen reagieren empfindlich auf drei Störungen:

  • Schwingungen Quer zur Rotationsachse
  • axiale Verschiebung
  • Plötzlicher Lastabwurf

Schwingungen sind glaube ich selbsterklärend – die Maschine vibriert, das führt zu Verlusten, Beanspruchung des Materials und Beschädigungen. Der Axialschub ist die fast noch wichtigere Größe, denn er reagiert empfindlich auf die Leistung der Turbine, die Verbindung zur Arbeitsmaschine, ihre Ausrichtung und die Güte von Lagern und Dichtungen. Ändert sich die axiale Ausrichtung der Maschine bedeutet das, dass in Längsrichtung Kräfte auf den Läufer wirken, die für einen merklichen Versatz sorgen. Bildlich gesprochen wird der Läufer gegen das Gehäuse gepresst. Das ist nicht erwünscht, denn es beansprucht das Material und kann zu Schäden an der Maschine bis zur Zerstörung führen.

Am schwierigsten umzusetzen ist aber der Überdrehzahlschutz bei plötzlichem Lastabwurf. Wenn man mal im Internet bei den einschlägigen Herstellern von Messinstrumenten für Schwingungen und Axialschub die Messbereiche nachschlägt, findet man schnell, dass wir hier über Verschiebungen und Schwingungsamplituden im Bereich von 100 µm reden. Ja, Mikrometer. Ein zwanzig Meter langer Turbosatz darf sich nur um einige 10 Mikrometer in axialer Richtung verschieben. Dass man so was überhaupt bauen kann finde ich erstaunlich.

Sind Axialschub und Schwingungen zum Großteil durch die Turbine selbst bestimmt, hängt das Verhalten beim Lastabwurf allein an der Arbeitsmaschine. Im Fall eines Wärmekraftwerks ist das immer eine Synchronmaschine. Es kann aber auch etwas anderes sein, etwa eine große Pumpe oder ein Verdichter. In der chemischen Industrie, wo oft viel Reaktionswärme abgeführt werden muss, setzt man immer wieder Dampfturbinen zum Antrieb großer Maschinen ein. Weil Kraftwerke aber der typische Fall sind und die größten Baugrößen dort eingesetzt werden, beziehe ich mich für das folgende vor allem auf sie.

Lastabwurf bedeutet folgendes: Wenn das Kraftwerk normal am Netz ist, speist der Generator eine gewisse elektrische Leistung ein. Um diese elektrische Leistung zu erzeugen, wird heißer Wasserdampf unter hohem Druck in die Turbine geleitet und dort entspannt. Dabei wird er abgekühlt und die Energie, die in der Wärme steckte, wird in mechanische Energie umgesetzt – sie ist es, die den Läufer und damit den daran gekuppelten Generator in Rotation versetzt. Wenn jetzt aus irgendeinem Grund der Generator sich schlagartig vom Netz trennen muss – etwa, weil sein eigener Maschinenschutz ausgelöst hat, weil der Maschinentransformator abraucht oder gar der 5-Stufen-Plan einsetzt, wird auch die Leistung, die die Dampfturbine aufbringen muss schlagartig reduziert.

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Kommentare (10)

  1. #1 tomtoo
    26. Mai 2017

    Naja zumindest so ein Reihenschlussmotor (Anlasser) verhält sich bezgl. Laßt und Drehzahl ähnlich wie eine Turbine. Aber sind halt andere Dimensionen.

  2. #2 Tobias
    26. Mai 2017

    Sehr interessant und eines der vielen Dinge wozu ich “Da hab ich bisher noch gar nicht drüber nachgedacht” sagen muss.

    Spontan hab ich mich gefragt, ob man nicht eigentlich die Turbine im Overspeed-Fall bremsen kann, um sich ein wenig mehr Zeit zum sanfteren Abschalten zu verschaffen. Bei kleinen Turbinen vielleicht eine Fliehkraftbremse, bei größeren würde die aber wahrscheinlich selbst in kürzester Zeit versagen. In Kraftwerken könnte man vielleicht die sowieso angeschlossenen Generatoren als elektrische Bremse verwenden. Mit zwei Generatoren könnte der Zweite kurzzeitig die Last eines eventuell Ausgefallenen tragen, um die Turbine kontrolliert abzuschalten. Falls die Generatoren vom Netz getrennt werden mussten, könnten vielleicht Lastwiderstände die Leistung umsetzen. Obwohl die bestimmt wirklich groß und damit unpraktikabel sein müssten. Außerdem könnten die ganzen Hilfsmechanismen auch versagen (wenn die Welle bricht, kann auch der Generator nicht mehr bremsen) und dementsprechend müssten die Systeme trotzdem eine Schnellabschaltung vornehmen können.

    Ich bin mir sicher, dass man sich sowas schonmal überlegt hat, deswegen würde mich vorallem interessieren, warum es offenbar unpraktikabel ist. Ist die Schnellabschaltung für Turbine und Zuleitungen kein so großes Problem, das diesen Aufwand rechtfertigen würde oder wären solche Hilfskonstrukte so groß und aufwändig, dass man sie deshalb nicht baut?

    Außerdem hab ich mich gefragt, was man eigentlich mit der ganzen Wärme macht, die dann ja nicht mehr in der Turbine “verbraucht” werden kann. So ein Reaktor lässt sich doch auch nicht in Sekunden runterfahren und im System steckt bestimmt auch noch eine Menge heißer Dampf. Können die Kühltürme das alles kondensieren oder muss man den Dampf einfach ablassen?

    Ich bin eher aus dem Bereich der Microcontroller und Informatik, von Großanlagen hab ich nicht so viel Ahnung. Ich hoffe also, ich stelle keine zu blöden Fragen. :-)

  3. #3 Dichter
    27. Mai 2017

    Lastwechsel und Vibrationen,
    aus den genannten Gründen haben sich Gasturbinen im Automobilbau nicht durchsetzen können.

  4. #4 Oliver Gabath
    27. Mai 2017

    @tomtoo: Das ist zwar richtig und auch der Reihenschlussmotor kann durchgehen, aber wenn die Last eines Elektromotors kleiner wird, sinkt auch der Strom und damit dessen aufgenommene Leistung. Bei der Dampfturbine gibt es keine solche Rückkopplung – fällt die Last weg, ist die gesamte Leistung im ersten Moment immer noch da.

    @Tobias: Keine dummen Fragen – im Gegenteil!
    Ich bin kein Kraftwerksexperte und was man mit den riesen Mengen Dampf genau macht, weiss ich nicht. Aus der Lamäng würd ich darauf tippen, dass es eine Wärmesenke in Form eines Kondensators und großen Wassereservoirs gibt, die die Restwärme bis zum herunterfahren der Anlage abführen kann. Vielleicht krieg ich’s raus – ich auch mal, was ich machen kann :-)

    Oder vielleicht weiss es sonst jemand hier?

  5. #5 Ingo
    27. Mai 2017

    Ich bewundere an dieser Stelle die Deutsche Bahn.
    Eine Gueterzug-Lokomotieve hat duchaus die Leistung einer Kleinstadt.
    Die faehrt einfach ploetzlich an und nimmt sich eine erhebliche Menge Energie aus dem Netz, einfach weil der Fahrer losfaehrt.
    Einen Moment spaeter speisst die Lok beim Bremsen (Nutzbremsung) ploetzlich eine gewaltige Menge Energie in das Netz EIN !
    Wie das Stromnetz damit klar kommt ist mir nie klar gewesen.

    Ich hatte mich einmal mit jemanden unterhalten der die Planung für die Stromversorgung eines groesseren Volksfestest mit verantwortet hatte.
    Grosse Karrussells die ploetzlich anlaufen und sich wieder abschalten sind ein grosses Problem fuer die Netze.
    Nicht die Last ist das Problem,- sondern der schnelle Lastwechsel.

    Nicht umsonst hat die Bahn ein dafuer eigenes Bahnstromnetz was weitgehend unabhaenig von dem normalen oeffentlichen Netz ist.

    Frage: Wie geht man in einem NEtz mit solchen Lastwechseln um? Im einen Augenblick wird viel Strom gebraucht,- im naechsten ploetzlich nicht mehr.
    Wohin mit der Energie? wie verhindert man dass die Generatoren durchgehen?
    Und WENN sie durchgehen (und der die Lastabwurfsicherung funktioniert), dann ist der Generator erstmal vom Netz, und der Strom faellt aus, nur weil jemand einen grossen Stromverbraucher vom Netz rausgenommen hat.

  6. #6 Ishmael
    30. Mai 2017

    Die Absperrarmatur ist im Prinzip ein Drei-Wege-Ventil. Der Fachbegriff dafür lautet “Umleitstation”; sie hat etwa die Größe eines Kleinwagens.

    Je eine Umleitstation sitzt direkt neben der Turbine (Grund: Wenn der Weg zwischen US und T lang wäre, könnte expandierender Dampf aus der Leitung die Turbine weiterhin hochtreiben).

    Bei der Turbinenschnellabschaltung wird der Frischdampf nicht einfach abgestellt, sondern direkt in den Kondensator umgeleitet. Dieser sitzt direkt unterhalb der Turbine. Die erzeugte Wärme muss ja weiterhin irgendwie weg und der Druckstoß darf auch nicht zu groß werden.

  7. #7 Ishmael
    30. Mai 2017

    Berichtigung:
    “Je eine Umleitstation sitzt direkt rechts und linnks neben der Turbine”

  8. #8 Jochen
    4. Juni 2017

    Superspannend, danke! Und gerne mehr davon!

  9. #9 Alf
    8. Juni 2017

    Spannender Artikel!
    Weißt du auch wie der Teillastbetrieb läuft? Da die Drehzahl immer konstant bleiben muss, kann doch die abgenommene Leistung vom Netz nur zusammen mit der zugeführten Menge Dampf geregelt werden. Wie wird das auf der Dampfseite und wie auf Abgabe ans Netz-Seite geregelt? Eventuell habe ich auch nicht ganz verstanden wie das funktioniert.

    @Ingo:
    “Nicht umsonst hat die Bahn ein dafuer eigenes Bahnstromnetz was weitgehend unabhaenig von dem normalen oeffentlichen Netz ist.”

    Der historische Grund für ein extra Netz ist laut Wiki allerdings dieser:
    “Durch die an den Kollektoren entstehenden Bürstenfeuer gelang es jedoch nicht, Reihenschlussmotoren im erforderlichen Leistungsbereich mit einer Frequenz von 50 Hertz zu betreiben. Daher entstanden Bahnstromnetze mit 25 Hz und 16 2⁄3 Hertz.”

    “Die faehrt einfach ploetzlich an und nimmt sich eine erhebliche Menge Energie aus dem Netz, einfach weil der Fahrer losfaehrt.”

    Bahnstrom wird im Fahrplanmanagement der Energieversorger oder Dienstleister berücksichtigt. Somit werden anfahrende und abbremsende ICEs viertelstundengenau mit in die Leistungsbilanz genommen.

  10. #10 Karl-Heinz
    8. Juni 2017

    @Alf

    … und wie auf Abgabe ans Netz-Seite geregelt?

    Drehfeld und Polradfeld des Synchrongenerators liegen im Leerlauf parallel und laufen synchron, d.h. mit gleicher Winkelgeschwindigkeit.
    Im Lastbetrieb verdreht sich das Polrad einmalig um einen vom Drehmoment abhängigen Lastwinkel.