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 (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.
Die Drehzahl und die Leistung aller umlaufenden Maschinen hänen folgendermaßen voneinander ab:
Beachte, dass das eine Proportionalität und keine Gleichheit ist! Erst ein geeigneter Proportionalitätsfaktor sorgt für die Gleichheit und rückt die Einheiten zurecht.
Die Leistung wird, wenn Druck und Temperaturverhältnisse gleich bleiben, durch die Dampfmenge zur Turbine bestimmt, das Drehmoment durch den Generator. Für alle umlaufenden Maschinen gilt die Regel Die Last bestimmt das Drehmoment. Das Drehmoment, das die Turbine eines Kraftwerks aufbringen muss ist abhängig davon, wie viel der Generator ins Netz einspeist: Ist die Einspeisung groß, ist das Drehmoment groß. Ist die Einspeisung klein, ist das Drehmoment klein.
Stell Dir vor, dass das Kraftwerk mit seiner Nennleistung einspeist – einige 100 Megawatt – Dem entsprechend ist auch das Drehmoment am Turbinenläufer sehr groß. Wenn jetzt die Leistung schlagartig fast auf 0 sinkt und die Dampfmenge in die Turbine nicht reduziert wird, dann schießt die Drehzahl steil nach oben. Sie kann so groß werden, dass die Turbine sich selbst und alles um sie herum vollständig zerstört. Das geht schnell – in einem großen Kraftwerk dauert es höchstes Sekunden, in einem kleinen vielleicht gar nur eine Sekunde. Der Turbine OverSpeed Failure ist das schlimmste, was einer Dampfturbine passieren kann. So kann das Ergebnis aussehen. Dieser Wald aus Eisen blieb von einer Dampfturbine übrig, die nicht gegen Überdrehzahl geschützt war. Und das war noch keine wirklich große Maschine. Ich für meinen Teil möchte ungern in der Nähe sein, wenn ein Turbinenläufer durch die Generatorenhalle tanzt.
Aus diesem Grund ist der Überdrehzahlschutz als wichtigstes System zusammen mit dem Axialschub und der Schwingungsüberwachtung die Grundlage des Maschinenschutzes von Turbomaschinen.
Überdrehzahlschutz muss schnell sein – haben normale Leitsysteme Reaktionszeiten im Bereich von 100 ms wenn sie schnell sind, muss beim Überdrehzahlschutz in höchstens 30 ms alles passiert sein. Das bedeutet, höchstens 30 ms zwischen der Erkennung der Überdrehzahl durch den Sensor und dem Ankommen des Abschaltsignals bei den Aktoren (Was das bedeutet erkläre ich weiter unten). Es gibt nur wenige Hersteller auf der Welt, die das können.
Die Leit- und Schutztechnik einer Dampfturbine stellt sich sehr vereinfacht wie in Abb.2 dar:
Abb.2: Prinzipieller Aufbau des Maschinenschutzes einer Dampfturbine
Die Dampfturbine (das Schaltzeichen für Turbinen ist das auf der Spitze stehende Trapez) hat einen Eingang für Frischdampf(1) und einen Ausgang für Abdampf(2). In der Frischdampfleitung sitzt ein hydraulisch betätigtes Schnellschlussventil(3), In dessen Hydraulikleitung wiederum ein elektrisches Magnetventil(4). Gesteuert wird das Magnetventil durch eine Sicherheitssteuerung(5). Alle Ventile sind bei Ausfall der Hilfsenergie geschlossen, d.h. bei Ausfall der elektrischen Hilfsenergie schließt das Magnetventil und die Hydraulikleitungen und entspannt das Hydrauliksystem. Das Erreichen der sicheren Stellung wird durch Federkraft realisiert – ähnlich wie bei der Druckluft-Bremse, die die Backen aktiv mit Druckluft auseiander drückt und bei Ausfall der Druckluft automatisch bremst. Infolge schließt das Schnellschlussventil die Frischdampfleitung zur Turbine. Normalerweise ist das Magnetventil offen und das Hydrauliksystem damit gespannt. In seiner elektrischen Zuleitung sind eine Reihe Relais eingebaut, die jeweils beim Ansprechen von Überdrehzahl- oder Axialschub- oder Schwingungs-Überwachung (und in Wirklichkeit noch vielen vielen anderen Schutzeinrichtungen) abfallen und damit das Ventil schließen. Die Sensoren (kleine mit “S” bezeichnete Kreise an der Turbine”) nehmen diese Größen auf und die Sicherheitssteuerung öffnet nur dann das Magnetventil, wenn alle Werte im Gutbereich sind. An einer großen Turbine können mehrere Hundert Sensoren verbaut sein – Wie man mit den großen Datenmengen, die diese liefern, intelligent umgeht, ist eine Wissenschaft für sich.
Normalerweise dauert es weniger als 0,5 Sekunden vom Erkennen der Überdrehzahl bis Schnellschluss- und Regelventil vollständig geschlossen sind. Man nennt das deswegen auch den Turbinenschnellschluss.
In kritischen Situationen passiert also in etwa folgendes:
- Es kommt zum plötzlichen Lastabwurf, z.B. weil sich der Generator vom Netz trennt oder die Kupplung zwischen ihm und der Turbine bricht
- Dadurch wird die Dampfturbine schlagartig entlastet
- Die Drehzahl steigt sehr schnell
- Innerhalb von 30 ms wird die Überdrehzahl erkannt, vom System verarbeitet und der Schnellschluss ausgelöst
- Weniger als 0,5 Sekunden nachdem die Überdrehzahl erkannt wurde, ist die Frischdampfzufuhr zur Turbine geschlossen
Die Frage ist jetzt: wohin mit dem Dampf? Stell Dir beispielhaft den Turbinenschnellschluss im Kernkraftwerk Krümmel vom Spätjahr 2010 vor: Im Moment des Abschaltens wollten 4.000 thermische Megwatt heißen Wasserdampfs zur Turbine und trafen plötzlich auf geschlossene Armaturen. Wenn so etwas passiert, kommt es zum Phänomen des Joukowsky-Stoßes – das ist ein Druckstoß in langen Rohrleitungen, der bei plötzlicher Absperrung auftreten kann. Seine Ursache ist die plötzliche Reflexion des strömenden Mediums an der Absperrarmatur und seine Kraft ist groß genug, Rohrleitungen zu zerreißen. Wenn die Frischdampfleitungen nicht schon bei der Planung darauf ausgelegt sind, hat man im Anforderungsfall keine guten Karten. Selbst wenn man den Dampf gleichzeitig umleitet und abbläst oder kondensiert wird es zu enormen Druckstößen kommen, denn ein schnell strömendes Medium kann man auch nicht einfach umleiten.
Deswegen müssen Frischdampfleitungen für Dampfturbinen aus ganz besonderen Stählen sein: Der Stahl muss temperaturbeständig sein – in modernen Steinkohlekraftwerken mit Frischdampftemperaturen von 620 °C glühen die Leitungen im Betrieb braunrot. Er muss korrosionsfest sein – heißer Wasserdampf macht mit stählen ganz andere Sachen als flüssiges Wasser. Er muss fest genug sein, die hohen Drücke zu tragen und gleichzeitig zäh genug, die Druckstöße aufzufangen. Er ist eine Wissenschaft für sich. Wer auch immer behauptet, er könne in 2017 ein Kraftwerk mit 1000 °C Frischdampftemperatur bauen, behauptet etwas, was er nicht wird liefern können. Die Entwicklung geeigneter Stähle für die Frischdampfleitungen von Dampfkraftwerken ist zurzeit einer der limitierenden Faktoren für die erreichbaren Temperaturen und damit für die Wirkungsgrade von Wärmekraftwerken.
Eine Dampfturbine auszuschalten ist nicht einfach. Dampfturbinen sind keine Elektromotoren – mit Leistungsschalter AUS ist es nicht getan. Dass man es doch kann, auch in extremen Situationen ist einer der Gründe, warum mich Technik so fasziniert. Was ich hier beschrieben habe ist sogar nur der “einfache” Fall des Lastabwurfs auf Null – und auch davon nur einen wichtigen Spezialfall. Über den sehr viel komplizierteren Lastabwurf auf Eigenbedarf oder ein anderes definiertes Leistungsniveau müsste ich einen eigenen Artikel schreiben. Falls sich jemand für mehr Details interessiert (aber Achtung – da werden viel Spezialwissen und englische Sprachkenntnisse vorausgesetzt! Aber dafür gibt’s interessante Bilder zu sehen) gibt es hier einen interessanten Fachtext. Was ich hier ganz grob beschreibe, kann man da etwas detaillierter nachlesen.
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