DE102016205454A1 - Verfahren zur Ermittlung und/oder Vorhersage des betriebsbedingten Zustandes wenigstens eines Einströmventils sowie Verfahren zum Betreiben einer Anlage mit einer Dampfturbine - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung und/oder Vorhersage des betriebsbedingten Zustandes wenigstens eines Einströmventils (1), über welches einer Dampfturbine Dampf aus einem Dampferzeuger zugeführt wird, bei dem während des Betriebes der Dampfturbine die Werte von Betriebsparametern des wenigstens einen Einströmventils (1), insbesondere des Absolutdrucks vor und/oder hinter dem Einströmventil (1) und/oder des Ventilhubs und/oder der Dampftemperatur, zeitabhängig messtechnisch erfasst und bevorzugt gespeichert werden, den erfassten Werten unter Heranziehung von Referenzdaten vorher definierte Dampfströmungszustände in dem wenigstens einen Einströmventil (1) und/oder zu definierten Dampfströmungszuständen gehörende charakteristische Wichtungen, insbesondere Schädigungsfaktoren und/oder Schädigungsgrade, zugeordnet werden, und unter Berücksichtigung der charakteristische Wichtungen eine Schadensakkumulationsrechnung über zumindest einen Teil der Betriebsdauer des wenigstens einen Einströmventils (1) durchgeführt und/oder eine Lebensdauer des wenigstens einen Einströmventils (1) geschätzt und/oder wenigstens ein Überprüfungszeitpunkt für das wenigstens einen Einströmventil (1) festgelegt wird. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Anlage mit einer Dampfturbine.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung und/oder Vorhersage des betriebsbedingten Zustandes wenigstens eines Einströmventils, über welches einer Dampfturbine Dampf aus einem Dampferzeuger zugeführt wird. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Anlage mit einer Dampfturbine.
• Um die Leistung einer Dampfturbine in einer Dampfturbinenanlage zu steuern kommen in der Regel eines oder mehrere Einströmventile zum Einsatz, die insbesondere zwischen einem Dampferzeuger der Anlage und der Dampfturbine installiert sind. Über eine Drosselung des bzw. der Einströmventile kann der Eingangsdruck der Dampfturbine und der Massenstrom reduziert und somit deren Ausgangsleistung gesenkt werden.
• Der fortschreitende Verschleiß von Bauteilen in einer Dampfturbinenanlage, einschließlich der Ventile und deren Einbauteile, beeinflusst maßgeblich die Funktionalität und somit den Betrieb der gesamten Anlage. Der Verschleiß ist ein entscheidendes Kriterium für die Durchführung von Überprüfungs- und Instandsetzungsmaßnahmen.
• Die Durchführung von Revisionen an Dampfturbinenanlagen erfolgt derzeit nach fest vorgegebenen Zeitintervallen. Dabei werden beispielsweise Revisionsintervalle in Form von 25.000 oder 50.000 äquivalenten Betriebsstunden vorgegeben. Die Berechnung äquivalenter Betriebsstunden erfolgt dabei unter Summenbildung der tatsächlichen Betriebsstunden im Lastbetrieb und einem Betriebsstundenanteil zur Berücksichtigung von An- und Abfahrten der Dampfturbine. Dabei ist der Anteil der An- und Abfahrten von der Fahrweise und der daraus resultierenden Temperaturbelastung abhängig. Der Lebensdauerverbrauch der Dampfturbine wird dabei anhand der Auslastung der Wandtemperatur-Grenzen und somit der niederzyklischen Ermüdung der Mitteldruck-Welle erfasst.
• Derzeit erfolgt auch die Revision der Einströmventile nach den für die gesamte Anlage fest vorgegebenen Zeitintervallen, welche in Form der vorstehend beschriebenen äquivalenten Betriebsstunden festgelegt werden.
• Diese Vorgehensweise hat sich prinzipiell bewährt, um einen zuverlässigen und sicheren Betrieb der Anlage zu gewährleisten, birgt jedoch den Nachteil, dass die Revision insbesondere der Ventile teilweise zu Zeitpunkten erfolgt, zu denen sie (noch) nicht nötig ist.
• Ausgehend von dem vorgenannten Stand der Technik besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein Verfahren zur Ermittlung und/oder Vorhersage des betriebsbedingten Zustandes wenigstens eines Einströmventils anzugeben, welches eine verbesserte Effizienz in Bezug auf die Ermittlung der erforderlichen Wartungsarbeiten ermöglicht.
• Darüber hinaus ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein insbesondere hinsichtlich erforderlicher Wartungsarbeiten besonders effizientes Verfahren zum Betreiben einer Anlage mit einer Dampfturbine anzugeben.
• Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Ermittlung und/oder Vorhersage des betriebsbedingten Zustandes wenigstens eines Einströmventils, über welches einer Dampfturbine Dampf aus einem Dampferzeuger zugeführt wird, bei dem
• – während des Betriebes der Dampfturbine die Werte von Betriebsparametern des wenigstens einen Einströmventils, insbesondere des Absolutdrucks vor und/oder hinter dem Einströmventil und/oder des Ventilhubs und/oder der Dampftemperatur, zeitabhängig messtechnisch erfasst und bevorzugt gespeichert werden,
• – den erfassten Werten unter Heranziehung von Referenzdaten vorher definierte Dampfströmungszustände in dem wenigstens einen Einströmventil und/oder zu definierten Dampfströmungszuständen gehörende charakteristische Wichtungen, insbesondere Schädigungsfaktoren und/oder Schädigungsgrade, zugeordnet werden, und
• – unter Berücksichtigung der charakteristische Wichtungen eine Schadensakkumulationsrechnung über zumindest einen Teil der Betriebsdauer des wenigstens einen Einströmventils durchgeführt und/oder eine Lebensdauer des wenigstens einen Einströmventils geschätzt und/oder wenigstens ein Überprüfungszeitpunkt für das wenigstens einen Einströmventil festgelegt wird.
• Es hat sich gezeigt, dass in Abhängigkeit von der Fahrweise bei An- und Abfahrten sowie im Teil- und Vollastbetrieb der Anlage in einem Einströmventil Strömungsverhältnisse auftreten, die zu Schwingungsanregungen und damit zu einem erhöhten Verschleiß der Einbauteile des Einströmventils führen können. Konkret stellen sich in Abhängigkeit von den zeitlich variierenden charakteristischen Betriebsparametern des Ventils unterschiedliche Strömungstopologien, also unterschiedliche Dampfströmungszustände in dem Ventil ein, mit denen unterschiedlich starke Belastungen des Einströmventils einhergehen.
• Dabei können verschiedene Effekte Druckfluktuationen generieren, die zu Ventiloszillationen und Störungen im Ventil führen. Bei gedrosseltem Betrieb bilden Ventile eine Durchflussengstelle, in der der Durchfluss durch eine Druckdifferenz beschleunigt ist. Diese Engstelle kann beispielsweise die Lücke zwischen einem Ventilsitz und einem Ventilkolben sein, wo ein Jet gebildet wird. Durch die Beschleunigung des Durchflusses wird thermische Energie in kinetische Energie umgewandelt. In vielen Fällen ist dieser Prozess gewissermaßen isentrop. In einem zweiten Schritt dissipiert die kinetische Energie. Dieser Schritt bewirkt einen Anstieg in der Entropie und der Enthalpie. Vor allem ein sich insbesondere im gedrosselten Zustand in der Lücke zwischen Ventilkegel und Ventilsitz bildender Jet bestimmt die Vibrationscharakteristik des Ventils.
• Eine andere Struktur, die kinetische Energie dissipiert, ist die Scherschicht. Scherschichten werden zwischen Hochgeschwindigkeitsjets und dem umgebenden Fluid gebildet. Abhängig von den Durchflussbedingungen kann eine Strahldüse mehr oder weniger stabil sein. Im Fall von Ultraschall können abnormale Durchsatzbedingungen auftreten, die kinetische Energie in Enthalpie umwandeln. Durchflusszusammenstoß an einer Wandung ist ebenfalls ein dissipativer Prozess, wobei bereits durchgeführte Studien gezeigt haben, dass zusammenstoßende Strahlen Oszillationen hervorrufen können. Neben den Durchflusstopologien treten in Ventilen auch die thermodynamischen Grenzbedingungen auf, die die Menge an dissipierter Energie bestimmen und die Schwingungsebene beeinflussen.
• Erfindungsgemäß wird auf die Erkenntnisse über die in Abhängigkeit der über die Betriebsdauer der Anlage zeitlich variierenden Betriebsparameter auftretenden physikalischen Prozesse und die sich jeweils in dem Einströmventil – bzw. im Falle mehrerer Einströmventile in diesen – einstellende Strömungstopologien zurückgegriffen.
• Konkret wird die Erkenntnis, dass sich über die Betriebsweise der Anlage unterschiedliche Strömungszustände einstellen und damit eine unterschiedliche Belastung der Ventilbauteile einhergeht berücksichtigt, um zuverlässige Aussagen über den tatsächlichen betriebsbedingten Verschleiß des Ventils, dessen voraussichtliche Lebensdauer sowie tatsächlich erforderliche Überprüfungszeitpunkte treffen zu können. So wird eine zustandsabhängige Überwachung des Einströmventils möglich und es kann ein besonders sicherer und effizienter Betrieb der Anlage gewährleistet werden.
• Erfindungsgemäß werden hierzu im laufenden Betrieb Betriebsparameter des Einströmventils gemessen und den Messwerten werden unter Rückgriff auf geeignete Referenzdaten definierte Dampfströmungszustände und/oder mit vorher definierten Dampfströmungszuständen verbundene charakteristische Wichtungen zugeordnet.
• Unter charakteristischer Wichtung kann dabei insbesondere ein Faktor verstanden werden, welcher für den an einem definierten Betriebspunkt zu erwartenden charakteristischen Verschleiß pro Zeiteinheit, in bevorzugter Ausführungsform an laut einer durchgeführten Fehlermöglichkeits- und Einflussanalyse (FMEA) relevanten Einbauteilen des Ventils, steht.
• Ein Betriebspunkt kann dabei beispielsweise über den Absolutdruck vor und hinter dem Einströmventil, den Ventilhub und die Dampftemperatur definiert sein.
• Der charakteristische Verschleiß bildet insbesondere die Korrelation zwischen einer Anzahl möglicher Betriebsstunden in einem definierten Betriebspunkt bis zum Erreichen des Zeitpunktes, an welchem insbesondere verschleißbedingt Maßnahmen an den relevanten Einbauteilen des Einströmventils für einen sicheren und funktionsgerechten Betrieb erforderlich werden.
• Insbesondere gehört zu Dampfströmungszuständen, mit denen eine stärkere Belastung einhergeht, eine höhere charakteristische Wichtung, insbesondere ein höherer Schädigungsfaktor bzw. ein höherer Schädigungsgrad und zu solchen, mit denen eine geringere Belastung einhergeht, eine niedrigere charakteristische Wichtung.
• Bei der anschließenden Schadensrechnung bzw. Lebenszeitabschätzung bzw. Festlegung eines Überprüfungszeitpunktes werden die charakteristischen Wichtungen, insbesondere die Schädigungsfaktoren und/oder Schädigungsgrade berücksichtigt, das bedeutet, es kann eine Gewichtung in Abhängigkeit der tatsächlich zu den unterschiedlichen Betriebszuständen aufgetretenen Belastungen erfolgen.
• Zweckmäßiger Weise wird zunächst eine Schadensakkumulationsrechnung für die zurückliegende Betriebsdauer durchgeführt, im Rahmen derer die charakteristischen Wichtungen Berücksichtigung finden, und dann eine Vorhersage für den in Zukunft zu erwartenden Schaden unter der Annahme eines erwarteten zukünftigen Betriebsparameterverlaufes gemacht und/oder ein geeigneter Überprüfungszeitpunkt für das Ventil abgeleitet.
• Die Schadensrechnung bzw. Bestimmung von Lebensdauer und/oder Überprüfungszeitpunkt können dann insbesondere beim weiteren Betrieb der Anlage berücksichtigt werden. Die Berücksichtigung kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass ein erfindungsgemäß berechneter Überprüfungszeitpunkt tatsächlich eingehalten oder ein Ventil nach Ablauf einer erfindungsgemäß prognostizierten Lebensdauer ausgetauscht wird.
• Sind zwei oder mehr Einströmventile in der Anlage vorgesehen, über welche die Dampfzufuhr aus dem Dampferzeuger zur Dampfturbine erfolgt, können zweckmäßiger Weise für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens alle Einströmventile betrachtet werden. Es können dann insbesondere für alle Einströmventile charakteristische Betriebsparameter zeitabhängig während des Betriebes der Anlage erfasst werden. Alternativ kann auch nur eines der Einströmventile exemplarisch betrachtet werden.
• Bei den während des Betriebes zu erfassenden charakteristischen Betriebsparametern des Einströmventils handelt es sich beispielsweise um den Absolutdruck vor und hinter dem Ventil, den Ventilhub, also den Öffnungszustand des Ventils, der z.B. in Prozent von einer Maximalöffnung angegeben werden kann (bei 0% ist das Ventil z.B. vollständig verschlossen und bei 100% vollständig geöffnet), oder auch um die Dampftemperatur.
• Wird der Absolutdruck vor und hinter dem Ventil messtechnisch erfasst, kann beispielsweise auch das Druckverhältnis berechnet und herangezogen werden.
• Die Messung erfolgt beispielsweise zu Messzeitpunkten vorgegebenen zeitlichen Abstandes, wobei die Auflösung der zeitabhängigen Erfassung nach Bedarf gewählt werden kann. Die Messungen erfolgen darüber hinaus zweckmäßiger Weise derart, dass zu den einzelnen Messzeitpunkten jeweils die Werte von zwei oder mehr Betriebsparametern des Einströmventils vorliegen, insbesondere zu jedem Messezeitpunkt zumindest der aktuelle Wert des Absolutdruckes vor und hinter dem Ventil zur Bildung des Verhältnisses sowie der Ventilhub und ggf. die Dampftemperatur vorliegt.
• Die für die Strömung in dem Ventil charakteristischen Betriebsparameter können auf einfache Weise unter Verwendung bekannter Messinstrumente im laufenden Betrieb gemessen und insbesondere in einer zu diesem Zweck vorgesehenen Speicher- und Auswerteeinrichtung abgelegt werden. Die messtechnische Erfassung der Betriebsparameter kann insbesondere während des gesamten Betriebes der Anlage, einschließlich der An- und Abfahrtzeiten, mit einer geeigneten Zeitauflösung erfolgen.
• Erfindungsgemäß wird auf geeignete Referenzdaten zurückgegriffen, um ausgehend von den während des Betriebes der Anlage gemessenen Werten der Betriebsparameter zu bestimmen, welche Dampfströmungszustände in dem Ventil zu den unterschiedlichen Betriebszeitpunkten vorherrschen bzw. vorherrschten und welche Belastungen damit jeweils verbunden sind bzw. waren.
• Ein Satz geeigneter Referenzdaten ist für ein Einströmventil bekannter Geometrie einmalig zu erstellen und kann dann für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens für eine baugleiches oder ähnliches Ventil beliebig oft herangezogen werden. Ein Einströmventil kann insbesondere als ähnlich erachtet werden, wenn es sich durch die gleiche Grundform jedoch eine andere Größenskalierung auszeichnet.
• Die zuvor erstellten Referenzdaten beinhalten den Zusammenhang zwischen den Werten der zu erfassenden Betriebsparameter und den sich infolge dieser einstellenden definierten Dampfströmungszustände und/oder den dazugehörigen charakteristischen Wichtungen. Die Referenzdaten stellen somit praktisch eine Referenz-Korrelationsfunktion zwischen den Werten des bzw. der charakteristischen Betriebsparameter und den resultierenden Dampfströmungszuständen und/oder damit einhergehenden Belastungen in dem Einströmventil dar.
• So werden zweckmäßiger Weise Referenzdaten herangezogen, die eine zuvor erstellte Zuordnung definierter Dampfströmungszustände und zugehöriger charakteristischer Wichtungen, insbesondere Schädigungsfaktoren und/oder Schädigungsgrade zu Betriebsparametern des wenigstens einen Einströmventils umfassen.
• Unter Rückgriff auf die zuvor erstellten Referenzdaten kann von den im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens zeitabhängig erfassten Werten der Betriebsparameter des Einströmventils auf einfache Weise – beispielsweise unter Verwendung einer geeigneten Speicher- und Auswerteeinrichtung, in welcher ein Satz von Referenzdaten abgelegt ist, abgeleitet werden, welche definierten Dampfströmungszustände sich einstellen bzw. – aus Sicht einer nachträglichen Auswertung – eingestellt haben und/oder welche charakteristischen Wichtungen, bevorzugt Schädigungsfaktoren und/oder Schädigungsgrade damit verbunden sind bzw. waren.
• Insbesondere wird unter Rückgriff auf die Referenzdaten jedem zu einem Zeitpunkt erfassten Betriebsparameterwert bzw. jedem Paar von zwei oder mehr von zu einem Zeitpunkt erfassten Betriebsparameterwerten jeweils ein definierter Dampfströmungszustand und/oder zugehörige charakteristische Wichtung zugeordnet. Die Anzahl der erfassten Betriebszeitpunkte hängt dabei von dem betrachteten Gesamtzeitraum und von der zeitlichen Auflösung ab, mit welcher die messtechnische Erfassung der Werte der Betriebsparameter des Ventils erfolgt.
• Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass die zeitabhängig erfassten Betriebsparameterwerte zu Lastkollektiven zusammengefasst werden und den Lastkollektiven jeweils vorher definierte Dampfströmungszustände und/oder insbesondere zu den Dampfströmungszuständen gehörende charakteristische Wichtungen, insbesondere Schädigungsgrade zugeordnet werden. Lastkollektive können beispielsweise in an sich bekannter Weise gebildet werden, indem der tatsächliche zeitliche Verlauf der über eine bestimmte Betriebsdauer, insbesondere die gesamte zurückliegende Betriebsdauer der Anlage, gemessenen Betriebsparameterwerte des Einströmventil ausgewertet und Betriebszeitabschnitte, zu denen jeweils gleiche Werte des bzw. der Betriebsparameter vorlagen, zusammengefasst, insbesondere aufaddiert werden.
• Unter Verwendung der mittels Referenzdaten abgeleiteten Datensätze, welche die Betriebsparameterwerte und zugehörigen Dampfströmungszustände und/oder charakteristische Wichtungen enthalten, wird erfindungsgemäß eine Schadensakkumulationsrechnung durchgeführt und/oder eine voraussichtliche verbleibende Lebensdauer des wenigstens einen Einströmventils geschätzt und/oder ein Überprüfungszeitpunkt für das wenigstens eine Einströmventil festgelegt.
• Es wird beispielsweise ermittelt, wie lange während des Betriebes sich die jeweiligen Dampfströmungszustände einstellten, also wie lange jeweils ein Betrieb bei den den Dampfströmungszuständen zugeordneten Parameterwerten erfolgte. Die Gesamtanzahl von Betriebsstunden für jeden Dampfströmungszustand kann dann gemäß der zu erwarteten Belastung gewichtet und eine Gesamtschädigung ermittelt werden.
• Werden Lastkollektive aus den erfassten Werten erstellt, kann eine Gewichtung der Lastkollektive durch Multiplikation mit einem jeweils zugeordneten Schädigungsfaktor und eine anschließende Akkumulation der auf diese Weise gewichteten Kollektive erfolgen, um einen die Gesamtschädigung des Einströmventils repräsentierenden Wert zu erhalten. Die Höhe der Schädigungsfaktoren repräsentiert dabei die Stärke der Belastung.
• Sind den Lastkollektiven jeweils Schädigungsgrade zugeordnet, können diese beispielsweise zum Erhalt der Gesamtschädigung aufaddiert werden. Jeder Schädigungsgrad repräsentiert dabei insbesondere eine durch das jeweilige Lastkollektiv verursachten Teilschädigung des Einströmventils.
• Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Schadensakkumulationsrechnung eine Bestimmung von äquivalenten Betriebsstunden und insbesondere deren Aufsummierung umfasst, wobei die Schadensakkumulationsrechnung insbesondere eine Multiplikation von zumindest einem Teil zurückliegender Betriebsstunden mit den zu den vorher definierten Dampfströmungszuständen gehörenden Schädigungsfaktoren einschließt.
• Im Rahmen der Schadensakkumulationsrechnung kann in besonders zweckmäßiger Ausgestaltung der gesamte zurückliegende Betriebszeitraum der Anlage bzw. Verwendungszeitraum des Einströmventils betrachtet werden.
• Da erfindungsgemäß die sich während des Betriebes einstellenden Dampfströmungszustände und/oder die damit verbundenen tatsächlichen Belastungen des Einströmventils berücksichtigt werden, wird es erstmals möglich, Überprüfungszeitpunkte in Abhängigkeit der tatsächlich erfolgten Ventilbelastung festzulegen. Unnötige Überprüfungen werden hierdurch vermieden. Dadurch können Zeit, Aufwand und somit Kosten für Instandsetzungsmaßnahme reduziert und das Risiko für ungeplante Stillstände verringert werden. Die Verfügbarkeit von Anlagen wird im Ergebnis erhöht.
• Das erfindungsgemäße Verfahren kann insbesondere unter Verwendung einer entsprechend ausgebildeten und eingerichteten Speicher- und Auswerteeinrichtung erfolgen, die beispielsweise auch Teil eines bereits bestehenden Condition-Monitoring-Systems sein kann.
• Für die Erstellung eines Satzes geeigneter Referenzdaten für ein Einströmventil vorgegebener Geometrie können numerische Simulationen zu dem betriebsparameterabhängigen Strömungsverhalten in dem Ventil und/oder analytische Ansätze und/oder experimentelle Messungen, beispielsweise zur betriebsparameterabhängigen Schwingungsantwort, insbesondere an einem baugleichen oder zumindest ähnlichen Einströmventil berücksichtigt werden.
• Insbesondere können über numerische Simulationen sich in Abhängigkeit der Betriebsparameter des Einströmventils in diesem einstellende definierte Dampfströmungszustände, die sich jeweils durch eine spezielle Strömungstopologie auszeichnen, identifiziert werden. Die Simulationen können eine Klassifizierung in Betriebsparametergebiete liefern, in denen sich jeweils bestimmte Strömungstopologien einstellen. Diese ermöglichen insbesondere, dass Dampfströmungszustände und zugehörige Betriebsparametergebiete definiert werden. Alternativ oder zusätzlich können analytische Ansätze herangezogen werden, um zu ermitteln, welche Dampfströmungszustände sich in Abhängigkeit der Betriebsparameter in dem Einströmventil einstellen.
• Ferner können, um geeignete Referenzdaten zu erhalten, alternativ oder zusätzlich die Ergebnisse von an einem bereits im Betrieb gewesenen baugleichen oder zumindest ähnlichen Einströmventil durchgeführten Überprüfungen, im Rahmen derer der Verschleiß- bzw. Schädigungszustand des Ventils überprüft wurde, herangezogen werden.
• Fließen sowohl die Ergebnisse von Computersimulationen zum Strömungsverhalten als auch experimentellen Messungen zum Schwingungsverhalten als auch die Ergebnisse von Überprüfungen des Verschleiß- und Schädigungszustandes eines im Betrieb gewesenen baugleichen oder ähnlichen Einströmventils in die Erstellung der Referenzdaten mit ein, können diese eine besonders zuverlässige Basis für die Schadensermittlung im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens bilden.
• Eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass Referenzdaten herangezogen werden, für deren Erstellung Computersimulationen zu dem Dampfströmungsverhalten in dem wenigstens einen Ventil durchgeführt wurden, insbesondere numerische Strömungsmechanik-Computersimulationen (englisch: computational fluid dynamics (CFD) computer simulations) und/oder Finite-Elemente-Methode-Computersimulationen (finite element methods (FEM) computer simulations), und/oder für deren Erstellung analytische Ansätze herangezogen wurden.
• Die Computersimulationen dienen der computergestützten Analyse der Dampfströmungszustände in Abhängigkeit von charakteristischen Betriebsparametern des Einströmventils, z.B. des Absolutdruckes vor und hinter dem Ventil, des Ventilhubs und der Dampftemperatur.
• Über CFD- und/oder FEM-Computersimulationen zu dem Strömungsverhalten werden insbesondere qualitative Aussagen über das Eintreten von symmetrischen und asymmetrischen Strömungsablösungen und Verdichtungsstößen ermöglicht. Aus den Simulationsergebnissen können ferner Grenzkurven ermittelt werden, welche Betriebsbereiche mit unterschiedlichen Strömungszuständen voneinander trennen.
• Es kann insbesondere vorgesehen sein, dass Referenzdaten herangezogen werden, für deren Erstellung Computersimulationen durchgeführt wurden, gemäß derer sich in dem wenigstens einen Einströmventil in Abhängigkeit der Betriebsparameter mindestens zwei, insbesondere mindestens vier verschiedene Dampfströmungszustände einstellen.
• Unter Durchführung von Computersimulationen konnte die Erkenntnis gewonnen werden, dass sich in einem Einströmventil einer Geometrie, wie es üblicherweise in großen Dampfturbinenanlagen zum Einsatz kommt die sich in Abhängigkeit der Betriebsparameter einstellende Strömungstopologie insbesondere in zumindest vier Kategorien unterteilt werden kann. Der Jet, welcher sich insbesondere im gedrosselten Ventilzustand zwischen dem Kegel und dem Sitz des Ventils bildet, kann einerseits hinter dem Ventilsitz an der Innenwandung des Ventils, insbesondere an einem an dieser Stelle befindlichen Diffusor des Ventils anliegen (attached flow) oder von der Innenwandung gelöst sein (detached flow). Die anliegende und die abgelöste Strömung kann jeweils nochmals in zwei Kategorien unterteilt werden, die symmetrische und die asymmetrisch abgelöste Strömung sowie die vollständig anliegende Strömung und die anliegende Strömung mit Separations-Blase.
• Diese vier Strömungstopologien erklären sich wie folgt. Bei höheren Druckverhältnissen fließt der Jet entlang der gebogenen Oberfläche des Ventilsitzes und dem sich anschließenden Diffusor, liegt also an dieser an. Mit abnehmendem Druckverhältnis bildet sich eine Separationsblase zwischen der Innenwandung des Diffusors und dem Jet, so dass der Jet zwar noch anliegt, jedoch mit Separationsblase. Unterhalb eines vorgegebenen Druckverhältnisses wird der Jet durch eine schockinduzierte Separation von der Innenwandung abgelenkt, was in eine asymmetrisch abgelöste Topologie resultiert. Das asymmetrische Muster wird dabei durch eine asymmetrische Druckverteilung am Ventilsitz bedingt. Der Jet neigt dazu, sich in Regionen, wo der lokale Druck leicht größer ist, wieder an die Innenwandung des Ventils, insbesondere Diffusors anzulegen, wodurch erhebliche Druckfluktuationen bedingt werden. Ist das Druckverhältnis ausreichend niedrig, ist die schockinduzierte Separation so stark, dass das Wiederanlegen des Jets an die Innenwandung unmöglich wird und der Jet ist allseitig, symmetrisch von der Innenwandung abgelöst. Mit dem abgelösten Fluss gehen deutlich höhere dynamische Kräfte einher als mit dem anliegenden Fluss.
• Die aus Computersimulationen gewonnen Erkenntnisse zu sich einstellenden unterschiedlichen Strömungstopologien und damit verbundenen unterschiedlichen Belastungen werden gemäß dieser Ausführungsform für die Erstellung von geeigneten Referenzdaten herangezogen. Insbesondere fließen aus Simulationen gewonnene Daten in die Referenzdaten mit ein.
• Alternativ oder zusätzlich können neben Computersimulationen auch Messungen für die Erstellung geeigneter Referenzdaten herangezogen werden.
• So zeichnet sich eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens dadurch aus, dass Referenzdaten herangezogen werden, für deren Erstellung Schwingungsdaten für das wenigstens eine Einströmventil und/oder für wenigstens ein zu dem Einströmventil baugleiches oder ähnliches Einströmventil messtechnisch erfasst wurden, insbesondere mittels Beschleunigungsmessgebern und/oder Dehnungsmessstreifen.
• Es kann beispielsweise die Schwingungsanregung eines baugleichen Einströmventils bzw. der Bauteile eines solchen durch Messen der real vorhandenen Schwingungsantwort mit Beschleunigungsmessgebern und/oder Dehnungsmesstreifen in Abhängigkeit von den Betriebsparametern bestimmt werden und diese Messwerte können bei der Erstellung der Referenzdaten – alterativ oder zusätzlich zu Daten aus Computersimulationen – Berücksichtigung finden.
• Auch kann vorgesehen sein, dass Referenzdaten herangezogen werden, für deren Erstellung die Werte von Betriebsparametern eines baugleichen oder ähnliche Einströmventils berücksichtigt wurden, die während des Betriebs einer Dampfturbinenanlage, in welcher das baugleiche oder ähnliche Einströmventil verwendet wurde, zeitabhängig erfasst worden sind.
• Darüber hinaus kann für deren Erstellung der Referenzdaten der reale betriebsbedingte Verschleiß eines zu dem wenigstens einen Einströmventil baugleichen oder ähnlichen Einströmventils ermittelt worden sein. Der reale Verschleiß des baugleichen Einströmventils wurde dabei insbesondere ermittelt, indem während des Betriebs einer Dampfturbinenanlage, in welcher das baugleiche oder ähnliche Einströmventil verwendet wurde, zu vorgegebenen Überprüfungszeitpunkten der Zustand des baugleichen oder ähnlichen Einströmventils überprüft wurde.
• In diesem Falle kann dann weiterhin vorgesehen sein, dass die Auswertung des realen betriebsbedingten Verschleißes des baugleichen oder ähnlichen Einströmventils auf Basis einer Fehlermöglichkeits- und Einflussanalyse für Schädigungs- und Verschleißmechanismen erfolgte, und insbesondere der Zustand von denjenigen Bauteilen des baugleichen oder ähnlichen Einströmventils betrachtet wurde, welche gemäß der Fehlermöglichkeits- und Einflussanalyse besonders von Schädigungen und/oder Verschleiß betroffen sind, wobei es sich bei den besonders betroffenen Bauteilen des baugleichen oder ähnlichen Einströmventils bevorzugt um eine Spindel und/oder einen Kegel und/oder die Führungen einer Spindel und/oder eines Kegels handelt.
• Unter Heranziehung von Fehlermöglichkeits- und Einflussanalysen (englisch: failure mode effect analysis) hat sich gezeigt, dass Schädigung und/oder Verschleiß insbesondere an der Spindel, dem Kegel und deren Führungen auftreten, was gemäß dieser Ausführungsform des Verfahrens vorteilhafterweise berücksichtigt wird.
• In besonders zweckmäßiger Ausgestaltung werden Referenzdaten herangezogen, für deren Erstellung aus den berücksichtigten Werten der Betriebsparameter des baugleichen oder ähnlichen Einströmventils Lastkollektive ermittelt und den Lastkollektiven unter Heranziehung einer Computersimulation zu dem Strömungsverhalten in dem baugleichen oder ähnlichen Einströmventil definierte Dampfströmungszustände zugeordnet wurden, und unter Berücksichtigung der für die Dampfströmungszustände zu erwartenden Schwingungsanregung eine Gewichtung der Lastkollektive erfolgte, und die gewichteten Lastkollektive mit dem ermittelten realen betriebsbedingten Verschleiß des baugleichen bzw. ähnlichen Einströmventils in Beziehung gesetzt wurde, um zu den Dampfströmungszuständen gehörige charakteristische Wichtungen, insbesondere Schädigungsfaktoren und/oder Schädigungsgrade zu ermitteln.
• Die Referenzdaten für ein Einströmventil vorgegebener Geometrie können beispielsweise auf folgende Weise erhalten werden.
• In einem ersten Schritt werden für das Einströmventil CFD- und FEM-Computersimulationen durchgeführt, mittels derer das Strömungsverhalten in dem Einströmventil in Abhängigkeit der charakteristischen Betriebsparameter, insbesondere in Abhängigkeit des Verhältnisses vom Absolutdruck vor und hinter dem Ventil, dem Ventilhub und dem Massenstrom, analysiert wird. Über die Computersimulationen werden mehrere, sich durch voneinander abweichende Strömunsgtopologien auszeichnenden Dampfströmungszustände identifiziert.
• Als Ergebnis der Simulation kann beispielsweise ein Datensatz erhalten werden, der angibt, welche Dampfströmungszustände sich bei welchen Betriebszuständen einstellen, die beispielsweise jeweils durch einen vorgegeben Wert von Massenstrom, Druckverhältnis und Ventilhub definiert sind. Dabei kann insbesondere das Ergebnis erhalten werden, dass sich wenigstens zwei, bevorzugt vier hinsichtlich ihrer Strömungsgeometrie unterschiedliche Dampfströmungszustände einstellen. Auch können Informationen über die mit den verschiedenen Dampfströmungszuständen einhergehenden Belastungen des Ventils erhalten werden.
• Zusätzlich zu der Durchführung der Simulationen kann die Schwingungsanregung an einem realen Einströmventil einer Dampfturbinenanlage untersucht und bei der Erstellung der Referenzdaten berücksichtigt werden, wobei konkret die real vorhandene Schwingungsantwort mit Beschleunigungsmessgebern und Dehnungsmessstreifen in Abhängigkeit der betrachteten Betriebsparameter, wie etwa von Dampftemperatur, Ventilhub und dem Absolutdruck vor und/oder hinter dem Ventil, bestimmt wird. Ein solches Messprogramm kann einmalig an einer Anlage durchgeführt werden und dann immer wieder für baugleiche bzw. ähnliche Einströmventile herangezogen werden.
• Über einen Vergleich der Simulationsdaten mit den realen Schwingungsmessdaten kann insbesondere eine Validierung der den Simulationen zugrundeliegenden Modelle erhalten werden, beispielsweise, wenn die stärkste gemessene Schwingungsanregung in Betriebsparameterbereichen gefunden wird, bei welchen auch gemäß der Simulation die stärkste Schwingungsanregung prädiziert wird.
• Darüber hinaus können Daten zu dem Verschleißverhalten eines realen Einströmventils gleicher oder ähnlicher Bauart betrachtet werden, das bereits in einer Dampfturbinenanlage im Betrieb war und für welches charakteristische Betriebsparameter, insbesondere der Absolutdruck vor und/oder hinter dem Ventil, der Ventilhub und/oder die Dampftemperatur, zeitabhängig während des Betriebs erfasst wurden sowie regelmäßige Überprüfungen des Ventilzustandes erfolgten, deren Ergebnisse insbesondere in Form von Befundberichten und Prüfprotokollen festgehalten wurden.
• Die Betriebsdaten dieser realen Fahrweise einer Anlage mit baugleichem Einströmventil werden ausgewertet, wobei besonders zweckmäßiger Weise die gesamte bisherige Betriebsdauer der Anlage seit deren Inbetriebnahme betrachtet wird. Aus den zeitabhängig erfassten Betriebsparameterwerten werden insbesondere Lastkollektive ermittelt, und den jeweiligen Betriebspunkten, die zum Beispiel jeweils durch ein Wertepaar von Ventilhub und Dampftemperatur und ggf. Druckverhältnis definiert sind, werden unter Berücksichtigung der Ergebnisse der Computersimulation und/oder der Messung der Schwingungsantwort die für diese Werte erwarteten definierten Dampfströmungszustände zugeordnet. Als Lastkollektive können beispielsweise die Betriebsstundenanzahlen ermittelt werden, die jeweils bei bestimmten Betriebsparameterwerten gefahren wurde.
• Unter Berücksichtigung der für die unterschiedlichen Dampfströmungszustände gemäß Simulation und/oder Messung zu erwartenden Schwingungsanregung erfolgt dann eine Gewichtung der Betriebsstunden bzw. Lastkollektive aus der realen Fahrweise der Anlage. Hierzu können beispielsweise den Betriebsstunden bzw. Lastkollektiven jeweils Gewichtungsfaktoren zugeordnet sein, welche von den Dampfströmungszuständen und in Abhängigkeit dieser zu erwartenden Belastungsstärke anhängen.
• Es kann ferner eine Auswertung realer Schädigungsgrade des Einströmventils erfolgen, wofür die Befundberichte und Prüfprotokolle herangezogen werden, welche die Angaben zu dem realen Verschleiß des Einströmventils während der betrachteten Betriebsdauer enthalten. Hierüber werden die Betriebsbedingungen, beispielsweise die gewichteten Lastkollektive, mit dem daraus resultierenden Verschleiß verknüpft.
• Die Basis für die Auswertung der Schädigungsgrade ist insbesondere eine Fehlermöglichkeits- und Einflussanalyse (FMEA) für die Schädigungs- und Verschleißmechanismen des Ventils, die aus dem zurückliegenden Betrieb der Dampfturbinenanlage resultieren. Dabei wird der Hauptfokus zweckmäßiger Weise auf diejenigen Einbauteile des Einströmventils gelegt, die laut der FMEA als führend für den Verschleiß und die daraus resultierenden Einschränkungen der Funktionalität des Einströmventils anzusehen sind. Bei diesen kann es sich insbesondere um den Kegel und den Sitz des Ventils sowie die Führungen dieser Komponenten handeln. Die Schädigungsmechanismen können beispielsweise den Verschleiß an Oberflächen durch Riefen und Kratzer, die Spiele zwischen Ventil-Einbauteilen und Führungen, Rundlaufeigenschaften der Spindel oder Risse und/oder Abplatzungen an Beschichtungen umfassen.
• In einem weiteren Schritt erfolgt dann zweckmäßiger Weise eine Korrelation der beobachteten realen Schädigungsgrade mit den zugehörigen – gemäß den Erkenntnissen aus Simulation und/oder Messung der Schwingungsanregung gewichteten – Lastkollektiven und es werden insbesondere normierte Schädigungsgrade für die charakteristischen Betriebszustände ermittelt.
• Im Ergebnis liegt ein Referenzdatensatz vor, welcher einer Vielzahl von zeitabhängig erfassten Betriebsparameterwerten bzw. einer Vielzahl von zugehörigen Lastkollektiven jeweils einen der über die Simulation identifizierten Dampfströmungszustand und charakteristische Wichtung, insbesondere Schädigungsfaktor und/oder Schädigungsgrad zuordnet.
• Für den zukünftigen Betrieb von Dampfturbinenanlagen, in denen Einströmventile der im Rahmen der Erstellung der Referenzdaten betrachteten oder hierzu ähnlichen Geometrie zum Einsatz kommen, kann ein auf die zuvor beschriebene Weise erhaltener Referenzdatensatz herangezogen werden, um den gemessenen Betriebsparametern die sich in Abhängigkeit dieser einstellenden Dampfströmungszustände und/oder zugehörige charakteristische Wichtungen zuzuordnen.
• Unter Berücksichtigung der betriebsbedingten charakteristischen Wichtungen, bevorzugt Schädigungsfaktoren und/oder Schädigungsgrade kann dann eine besonders zuverlässige Ermittlung des Verschleißes bzw. der Schädigung des Einströmventils erfolgen und insbesondere eine zuverlässige Vorhersage zur restlichen Lebensdauer und/oder zu erforderlichen Überprüfungsmaßnahmen erfolgen.
• Selbstverständlich ist es möglich, die Referenzdaten, die gegebenenfalls nur für eine beschränkte Anzahl von Betriebspunkten bestimmt, bzw. durch reale Messungen bestätigt werden können, durch geeignete Methoden in an sich bekannter Weise zu interpolieren, um Referenzwerte für eine größere Anzahl von Betriebspunkten zu erhalten.
• Die Referenzdaten können in Form von geeigneten Datensätzen in digitaler Form vorliegen, die beispielsweise unter Verwendung eines geeigneten Computerprogrammes für die Auswertung herangezogen werden. Auch können alternativ oder zusätzlich Referenzdaten in Form von Graphen bereitgestellt werden.
• Es kann ferner vorgesehen sein, dass Referenzdaten herangezogen werden, die wenigstens einen Graphen umfassen, in welchem die vorher definierten Dampfströmungszustände in Abhängigkeit von Betriebsparametern des wenigstens einen Einströmventils dargestellt sind.
• Alternativ oder zusätzlich können Referenzdaten herangezogen werden, die Grenzkurven umfassen, welche nebeneinanderliegende Bereiche von Betriebsparametern des wenigstens einen Einströmventils, zu denen jeweils einer der vorher definierter Dampfströmungszustände gehört, voneinander separieren.
• Die vorstehende Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Verfahren zum Betreiben einer Anlage mit einer Dampfturbine, welcher durch wenigstens ein Einströmventil Dampf aus einem Dampferzeuger zugeführt wird, bei dem für das wenigstens eine Einströmventil das Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche durchgeführt und das Ergebnis der Schadensakkumulationsrechnung und/oder die geschätzte Lebensdauer und/oder der wenigstens eine festgelegte Überprüfungszeitpunkt beim Betrieb der Anlage berücksichtigt wird.
• Dabei kann in Weiterbildung vorgesehen sein, dass die Anlage derart betrieben wird, dass die Werte der Betriebsparameter des wenigstens einen Einströmventils, zu denen eine höhere charakteristische Wichtung, insbesondere ein höherer Schädigungsfaktor und/oder höherer Schädigungsgrad gehört, gezielt vermieden werden, um den Verschleiß des wenigstens einen Einströmventils zu reduzieren.
• Unter der erfindungsgemäßen Berücksichtigung der Erkenntnisse über die sich in dem Einströmventil einstellenden Strömungstopologien und damit verbundenen Belastungen wird es auch möglich, eine Anlage gezielt derart zu betreiben, dass ungünstige Betriebsparameterbereiche, in denen sich Dampfströmungszustände in dem Ventil einstellen, mit denen eine besonders hohe Belastung verbunden ist, vermieden werden, um die Lebenszeit des Ventils zu erhöhen. Durch die gezielte Fahrweise unter Vermeidung von Betriebsparameterbereichen, die stärkeren Verschleiß bedingenden, kann erreicht werden, dass der zulässige Betriebszeitraum zwischen Überprüfungszeitpunkten bzw. die zulässige Betriebsdauer von Einströmventilen erhöht wird.
• Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung deutlich. Darin ist/sind
• 1 eine schematische Schnittdarstellung eines Einströmventils über welches der Turbine einer Dampfturbinenanlage Dampf aus einem Dampferzeuger zugeführt wird.
• 2 einen Graphen, welcher rein schematisch zeigt, welche Dampfströmungszustände sich in dem in 1 dargestellten Einströmventil in Abhängigkeit von dem Massenstrom und Ventilhub gemäß einer Computersimulation einstellen.
• 3 die Dissipation des Einströmventils entlang einer für Kraftwerke typischen Betriebskurve gemäß Computersimulation.
• 4 eine schematische Darstellung von vier unterschiedlichen, sich gemäß der Computersimulation in dem in 1 dargestellten Einströmventil einstellenden Dampfströmungszuständen in Form von Vektorplots.
• 5 einen Graphen mit quadratischen Mittelwerten der axialen Kraft zu unterschiedlichen Betriebspunkten.
• 6 einen Graphen mit quadratischen Mittelwerten der transversalen Kraft zu unterschiedlichen Betriebspunkten für einen Ventilhub von 7%.
• 7 einen Graphen mit quadratischen Mittelwerten der transversalen Kraft zu unterschiedlichen Betriebspunkten für einen Ventilhub von 14%.
• 8 einen Graphen mit quadratischen Mittelwerten der transversalen Kraft zu unterschiedlichen Betriebspunkten für einen Ventilhub von 20%.
• 9 eine Legende zur Erläuterung der 5 bis 8.
• 10 einen Graphen, in welchem die akustische Effizienz der transversalen Kraft gegen die nicht-dimensionale Druckdifferenz aufgetragen ist.
• 11 einen Graphen, in welchem die durch den nicht-dimensionalen Jet-Durchmesser dividierte akustische Effizienz gegen die Druckdifferenz aufgetragen ist.
• 12 einen Graphen, in welchem die axiale Vibrationsbeschleunigung gegen die die Druckdifferenz aufgetragen ist.
• 13 einen Graphen, in welchem die transversale Vibrationsbeschleunigung gegen die die Druckdifferenz aufgetragen ist.
• 14 einen Graphen, in welchem die axiale Beschleunigung gegen die dynamische axiale Kraft aufgetragen ist.
• 15 einen Graphen, in welchem die transversale Beschleunigung gegen die dynamische transversale Kraft aufgetragen ist.
• 16 einen Graphen, welcher die Auswertung der zeitabhängig erfassten Betriebsparameter eines Einströmventils einer Dampfturbinenanlage während einer Anfahrt zeigt.
• Die 1 zeigt ein Einströmventil 1 in schematischer Schnittdarstellung, welches in einer in der Figur nicht dargestellten Dampfturbinenanlage vorgesehen ist. Das Einströmventil 1 hat einen typischen Aufbau eines Regelventils, wie es in vielen Kraftwerken benutzt wird.
• Über das Einströmventil 1 wird einer in der Figur nicht dargestellten Dampfturbine Dampf aus einem ebenfalls nicht gezeigten Dampferzeuger zugeführt. Die Richtung des Dampfstromes durch das Einströmventil 1 ist in der 1 durch vier Pfeile angedeutet.
• Das Einströmventil 1 umfasst einen in etwa kegelringförmigen Einströmkanal 2, einen Ventilkegel 3, einen Ventilsitz 4 und einen Diffusor 5. Der Ventilkegel 3 weist in etwa die Form eines einseitig offenen Zylinders auf und ist entlang der Längsachse X des Einströmventils 1 mittels eines vorliegend hydraulischen Antriebes 6 bewegbar. Der Antrieb 6 weist ein Federelement 7 auf und ist über eine Kupplung 8 mit einer Ventilspindel 9 verbunden. Außenseitig an dem Ventilkolben 3 sind zwei Ringspalte vorgesehen, in denen zur Dichtung Dichtungsringe 10 angeordnet sind. Hinter dem Ventilkegel 3 befindet sich ferner ein Hohlraum 11, der über insgesamt vier Bohrungen 12 mit dem Innenraum des Ventilkegels 3 verbunden ist.
• Durch eine Linearbewegung des Ventilkegels 3 in Richtung des Ventilsitzes 4 wird in an sich bekannter Weise der Strömungsquerschnitt an entsprechender Stelle verringert und durch eine Bewegung in die andere Richtung vergrößert. Ist der Ventilkegel 3 in der von dem Ventilsitz 4 am weitesten entfernten Position, ist das Einströmventil 1 vollständig geöffnet. Liegt der Ventilkegel 3 hingegen an dem Ventilsitz 4 an, ist das Einströmventil 1 vollständig geschlossen. Die Position des Ventilkegels 3 wird auch als Ventilhub bezeichnet und in Prozent angegeben, wobei ein Ventilhub von 0% dem vollständig verschlossen Zustand des Einströmventils 1, ein Ventilhub von 100% dem vollständig geöffneten Zustand und ein Ventilhub von beispielsweise 50% dem mittig dazwischenliegenden Zustand entspricht.
• Über eine Drosselung des Einströmventils 1, also eine Verringerung des Ventilhubs, kann der Eingangsdruck der Dampfturbine und die Massenstromrate reduziert und somit die Ausgangsleistung der Dampfturbine gesenkt werden.
• Mit dem Betrieb der Anlage geht ein fortschreitender Verschleiß von den Bauteilen des Einströmventils 1, insbesondere dem Ventilkegel 3 und der Ventilspindel 9 sowie deren Führungen einher. Der Verschleiß beeinflusst maßgeblich die Funktionalität und somit den Betrieb der gesamten Anlage und ist somit ein entscheidendes Kriterium für die Durchführung von Überprüfungs- und Instandsetzungsmaßnahmen.
• Unter Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben einer Anlage mit einer Dampfturbine kann der Zustand des Einströmventils 1 besonders zuverlässig ermittelt und Überprüfungszeitpunkte können zustandsabhängig festgelegt und eine verbleibende Lebensdauer des Einströmventils 1 zuverlässig vorhergesagt werden.
• Das erfindungsgemäße Verfahren wird vorliegend unter Verwendung einer entsprechend ausgebildeten und eingerichteten Speicher- und Auswerteeinrichtung durchgeführt, die Teil eines bereits bestehenden Condition-Monitoring-Systems der Dampfturbinenanlage ist. Die Speicher- und Auswerteeinrichtung ist in den Figuren nicht dargestellt.
• Im Rahmen des Verfahrens werden während des gesamten Betriebes der Dampfturbinenanlage, in welcher das Einströmventil 1 verbaut ist, die Werte charakteristischer Betriebsparameter des Einströmventils 1 zeitabhängig messtechnisch erfasst. Konkret werden bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel der Absolutdruck vor und hinter dem Einströmventil 1, der Ventilhub und die Dampftemperatur mit geeigneten Messinstrumenten bestimmt.
• Bei den Messinstrumenten handelt es sich bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel um in den Figuren nicht dargestellte Druckmessumformer, Balluffgeber und Thermoelemente.
• Aus den zeitabhängig erfassten Werten des Absolutdruckes vor und hinter dem Einströmventil 1 kann das jeweils vorherrschende Druckverhältnis gebildet werden. Dies erfolgt vorliegend mittels der Speicher- und Auswerteeinrichtung, in welcher die zeitabhängig erfassten Werte der Betriebsparameter auch abgelegt werden.
• Den erfassten Betriebsparameterwerten werden im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens unter Heranziehung von Referenzdaten vorher definierte Dampfströmungszustände in dem Einströmventil 1 und zu den Dampfströmungszuständen gehörende vorher definierte Schädigungsfaktoren und/oder Schädigungsgrade zugeordnet.
• Die erfindungsgemäß herangezogen Referenzdaten, die vorab erstellt wurden, beinhalten hierzu den Zusammenhang zwischen den Werten der erfassten Betriebsparameter und den sich infolge dieser in dem Einströmventil 1 einstellenden definierten Dampfströmungszustände. Für die Erstellung geeigneter Referenzdaten für das Einströmventil 1 wurde vorliegend auf Computersimulationen zu dem betriebsparameterabhängigen Strömungsverhalten in dem Ventil, auf experimentelle Messungen zur betriebsparameterabhängigen Schwingungsantwort an einem baugleichen Einströmventil und auf an einem bereits im Betrieb gewesenen baugleichen Einströmventil durchgeführte Überprüfungen, im Rahmen derer der Verschleiß- bzw. Schädigungszustand des Ventils überprüft wurde, zurückgegriffen.
• Konkret wurde zur Erstellung der Referenzdaten in einem ersten Schritt eine CFD-Computersimulation durchgeführt, mittels derer die sich in dem Einströmventil 1 in Abhängigkeit der vorgenannten charakteristischen Betriebsparameter einstellenden Dampfströmungszustände analysiert wurden.
• Über CFD-Computersimulationen zu dem Strömungsverhalten können einerseits qualitative Aussagen über das Eintreten von symmetrischen und asymmetrischen Strömungsablösungen und Verdichtungsstößen gemacht werden. Auch können diese eine qualitative Bestimmung der Schwingungsanregung von Bauteilen des betrachteten Einströmventils 1, wie etwa dem Ventilkegel 3 und der Ventilspindel 9, aufweisen.
• Vorliegend wurde im Rahmen einer CFD-Computersimulation das Strömungsverhalten in dem in 1 dargestellten Ventil untersucht und zwar für den Bereich innerhalb der in 1 fett dargestellten Linie.
• Es hat sich gezeigt, dass verschiedene Effekte Druckfluktuationen generieren, die zu Ventiloszillationen und Störungen im Dampfventil führen. Da verschiedene Ventiltypen benutzt werden, existiert keine allgemein gültige Theorie, die Ventiloszillationen erklärt. Aber es gibt einige grundlegende Prinzipien, die bei verschiedenen Ventiltypen häufig auftreten. Bei gedrosseltem Betrieb bilden Ventile eine Durchflussengstelle, in der der Durchfluss durch eine Druckdifferenz beschleunigt ist. Diese Engstelle kann beispielsweise die Lücke zwischen dem Ventilsitz 4 und dem Ventilkegel 3 sein. Durch die Beschleunigung des Flusses wird thermische Energie in kinetische Energie umgewandelt. In vielen Fällen ist dieser Prozess gewissermaßen isentrop. In einem zweiten Schritt dissipiert die kinetische Energie. Dieser Schritt bewirkt einen Anstieg in der Entropie und der Enthalpie. Gemäß Pluviose ("Quieting the Flows in Valves using Kinetec Energy Degraders", International Journal of Thermodynamics, Vol. 16 (3), pp. 109–114 (2013)) wird die kinetische Energie in dissipativen Strukturen abgebaut, wodurch schädliche Instabilitäten verursacht werden können.
• Eine andere Struktur, die kinetische Energie dissipiert, ist die Scherschicht. Scherschichten werden zwischen Hochgeschwindigkeits-Jets und dem umgebenden Fluid gebildet. Abhängig von den Strömungsbedingungen kann ein Jet mehr oder weniger stabil sein. Ein an der ringförmigen Wandung anliegender Jet (ringförmiger Fluss) erzeugt in einem Dampfventildiffusor weniger Schall als ein abgelöster Jet im Diffusorkern. Sowie ist bekannt, dass die dynamische Transversalkraft steigt, wenn die ringförmige Wandung Strahldüsen trennt.
• Im Fall von Ultraschall können abnormale Durchsatzbedingungen auftreten, die kinetische Energie in Enthalpie umwandeln. Unregelmäßige Erschütterungen lönnen starke dynamische Lasten und Ventiloszillationen erzeugen.
• Srömungszusammenstoß an einer Wandung ist ebenfalls ein dissipativer Prozess. Dieser Prozess wurde in einigen Ventilen beobachtet.
• Neben den Strömungstopologien treten in Ventilen auch die thermodynamischen Grenzbedingungen auf, die die Menge an dissipierter Energie bestimmen und die Schwingungsebene beeinflussen. Daher basieren einige Skalierungsregeln für Ventilschall auf der dissipierten Energie. Graf et al. ("Verification of Scaling Rules for Control Valve Noise by Means of Model Tests" Fluid-Structure Interaction, Aeroelasticity, Flow-Induced Vibration and Noise 2, eds., M. P. Paidoussis et al., ASME Pub. Ad-53-2 Vol. 2, pp. 455–462) entwickelt das Konzept der akustischen Effizienz η_ac basierend auf der Dissipation und validiert es in Modellversuchen mit verschiedenen Modellgrößen unter der Benutzung von Dampf und komprimierter Luft. Die akustische Leistung P_ac wird durch die Dissipation J dividiert, die durch eine isenthalpische Ausdehnung vom Zulauf zu dem Ablauf verursacht wird. Die Dissipation ist durch eine Integration formuliert. Die Temperatur θ ist aufgrund von Realgaseffekten, die bei typischen Betriebsbedingungen existieren nicht proportional zu der Enthalpie h. Die akustische Leistung wird aus dem Schalldruck p ,, der akustischen Impedanz z, der Referenzfläche A und der Machzahl Ma berechnet. Die Studie von Graf et al. zeigt, dass das Druckverhältnis π der Übereinstimmungsparameter für die untersuchte Geometrie ist.

  
• Verschiedene Lastpunkte des Einströmventils 1 wurden untersucht. Die zugehörigen Bereiche sind in der charakteristischen Karte des Ventils 1 in 2 gezeigt. Das Diagramm aus 2 zeigt rein schematisch und ohne Einheiten auf der Y-Achse den Massenstrom q und auf der X-Achse den Druck p hinter dem Ventil 1.
• Die Bereiche beziehen sich auf die Strömungstopologie, die später im Detail diskutiert wird. Linien gleichmäßigen Ventilhubs sind im Bereich des Druckverhältnisses und der dimensionslosen Massendurchflussrate gezeigt und durch dünne sowie dicke durchgezogene Linien dargestellt. Die dimensionslose Massendurchflussrate q wird durch Dividieren des Massendurchflusses m . durch die Querschnittsfläche A_Seat des Ventilsitzes 4 und der kritischen Durchflussmenge b* bestimmt, die auf dem gesamten Einlaufdruck und der Temperatur basiert. Die Einlaufbedingungen sind für alle Punkte gleich und der Auslassdruck und das Anheben werden variiert, um verschiedene Massendurchflussraten und Druckverhältnisse zu erhalten. Wenn das Einströmventil 1 mit einer Turbine verbunden ist, wird es an einer Betriebskennlinie betrieben.

  
• Die 3 zeigt die Dissipation entlang einer für Kraftwerke typischen Betriebskennlinie gegen den Ventilhub. Bei einem geringen Ventilhub tritt die höchste Dissipation auf. Daher fokussieren sich die Untersuchungen auf Ventilhübe kleiner als 30%.
• Die numerischen Untersuchungen wurden vorliegend unter Benutzung des kommerziellen Codes Ansys^® CFX 14 durchgeführt. Dieser Code wendet eine komplett gekoppelte implizite Navier-Stokes Gleichung an. Der schlussendlich gewählte numerische Übergangsaufbau ist zweiter Ordnung genau in Zeit und Raum. Die berechnete Fläche ist durch einen Block strukturierter hexaedrischer Gitter diskretisiert. Die dimensionslose Wandungsdistanz (y⁺) des ersten Knotens ist unterhalb 30 in dem Ventildiffuser und die Grenzschicht ist zumindest bis zu 20 Knoten aufgelöst. Aufgrund dessen und aufgrund der hohen räumlichen Auflösung in Bereichen mit Ultraschalldurchfluss, sind die berechneten Gitter groß. Die Anzahl der Knoten erreicht bis zu 18 Millionen Knoten. Zusätzlich wurde ein sehr geringer Zeitschritt von 0,01 ms benutzt.
• Nach 30 ms simulierter Zeit wird ein konstantes Übergangsniveau an Druckfluktuationen erreicht. Die schwankenden Daten für die gemittelten Größen und Fluktuationsgrößen werden nach dieser Zeit extrahiert.
• Strukturelle dynamische Untersuchungen werden unter Benutzung von ANSYS14 durchgeführt. Das FEM Modell enthält den Ventilkolben, die Kupplung und den Ventilstellantrieb. Da die Lager den Ventildampf leiten und der Ventilkegel 3 ein gewisses Spiel hat, können der Kegel 3 und der Dampf in radialer Richtung verschoben werden. Dieser Effekt wird in den FEM Rechnungen moduliert, in dem die Kontaktflächen ebenfalls definiert werden. Zusätzlich sind Ringspalte und Dichtungsringe 10 in dem Ventil 1 vorhanden, die Reibungskraft auf den Ventilkegel 3 aufdrücken. Diese Reibungskräfte werden mit Kontaktflächen moduliert. Das Federelement 7 ist durch einen analogen Körper moduliert. Aufgrund der Reibungseffekte und der Kontakte ist das FEM Modell nicht linear. Daher wird es im Zeitbereich gelöst. Ein impliziter Gleichungsauflöser unter Benutzung des Netmark Interpolationssystems wird angewandt. Die Abhängigkeit des elastischen Moduls von der Temperatur ist durch die Bestimmung temperaturabhängiger Materialeigenschaften und eine Temperaturverteilung in dem Ventilkegel 3 berücksichtigt.
• Da die höchste Dissipation bei geringen Ventilhüben existiert, wird die stärkste Last in dieser Region erwartet und die Untersuchung wurde auf Ventilhübe unterhalb von 30% fokussiert.
• In 4 sind vier verschiedene Strömungstopologien A, B, C, D gegeben, die im untersuchten Lastbereich ermittelt wurden.
• Insbesondere in dem betrachteten Teillastbetrieb bildet sich, wie die 4 zeigt, in dem Einströmventil 1 ein Jet in der Lücke zwischen dem Ventilkegel 3 und dem in der 4 nicht dargestellten Ventilsitz 4. Der Jet bestimmt die Vibrationscharakteristik des Einströmventils 1. Die Vektorplots zeigen den Durchfluss bei 20% Hub des Ventilkegels 3 und verschiedenen Druckverhältnissen. In den Vektorplots ist konkret die zeitlich gemittelte Geschwindigkeit v in m/s dargestellt. Die vier Topologien A, B, C, D können bei allen anderen untersuchten Ventilhüben gefunden werden. Zwei Topologien C, D sind auf eine anliegende Strömung (attached flow) und zwei Topologien A, B auf eine abgelöste Strömung (detached flow) bezogen. Die Grenze zwischen den anliegenden und den abgelösten Topologien ist in 2 als Anlegekurve (point of attachment) markiert.
• Zusätzlich zu den Übergangsströmungsberechnungen ist der Übergang von dem anliegenden zu dem abgetrennten Fluss für alle untersuchten Ventilhübe mittels Gleichgewichtskalkulationen bestimmt worden.
• Eine Topologie D mit vollständig anliegender Strömung (fully attached flow – in 4 ganz rechts) kann bei hohen Druckverhältnissen gefunden werden. Der zwischen den Ventilkegel 3 und dem Ventilsitz 4 gebildete Jet strömt entlang der gekrümmten Oberfläche des Ventilsitzes 4 und dem anschließenden Diffusor 5.
• Da der ringförmige Wandungs-Jet eine große Menge von Dampf von dem Zentrum des Diffusors 5 mitreißt, wird ein Rückfluss in den Diffuser 5 gebildet. Zwischen dem Wandungs-Jet und dem Rückfluss wird eine Scherschicht ausgebildet, welche die kinetische Energie des Jets dissipiert.
• Unterhalb der Vektorplots in 4 dargestellt sind jeweils zu den vier Dampfströmungszuständen gehörige axiale Kräfte ax und transversale Kräfte tv über der Strouhal-Zahl St, welche definiert ist als das Produkt aus der Frequenz fund dem Durchmesser D_v des Ventilsitzes 4 dividiert durch die Schallgeschwindigkeit c_s. Die Orientierung der axialen und transversalen Kraft ist in 1 dargestellt.
• Das Spektrum der dynamischen axialen Kraft zeigt einen signifikanten Peak, der eine durch die Scherschicht angeregte akustische Mode betrifft. Die Strouhalzahlen ist definiert durch den Durchmesser des Ventilsitzes 4 und der Schallgeschwindigkeit c_S am Zulauf.
• Bei einem Druckverhältnis von 0,47, nah an dem Druckverhältnis des Anlegens, tritt eine Separationsblase auf, die höhere transversale Lasten hervorruft. Es wird eine anliegende Strömungstopologie mit Separationsblase C erhalten (in 4 der zweite Vektorplot von rechts). Die verbleibenden Bereiche des Strömungsfeldes sind identisch zu der anliegenden Strömungstopologie. Der auf die akustische Mode bezogene Peak steigt im Vergleich zu dem vollständig anliegenden Fall an. Ebenso zeigt das transversale Kraftspektrum einen signifikanten Inhalt zwischen St = 0,5 und St = 0,8.
• Unterhalb des Druckverhältnisses des Anlegens induziert ein Stoß eine Trennung, die den Strahl von dem Ventil 1 ablenkt. Wenn das Druckverhältnis nah an dem Druckverhältnis des Anlegens ist, existiert die asymmetrische Strömungstopologie B (in 4 der zweite Vektorplot von links). Das asymmetrische Muster wird durch eine asymmetrische Druckverteilung an dem Ventilsitz 4 hervorgerufen. Der Jet neigt dazu, sich in Bereichen wieder an die Wandung anzulegen, wo der lokale Druck geringer größer ist und erzeugt hierdurch starke Druckfluktuationen. Umgekehrt hält das asymmetrische Strömungsmuster die asymmetrische Druckverteilung aufrecht.
• Wenn das Druckverhältnis niedrig genug ist, ist die stoßinduzierte Trennung so stark, dass das Wiederanlegen des Jets unmöglich ist und sich eine symmetrische abgetrennte Strömung A (symmetrically detached flow) in dem Diffusor 5 etabliert (in 4 der Vektorplot ganz links). In diesem Fall ist der abgetrennte Jet stabiler. Verglichen mit dem asymmetrisch abgetrennten Fall B (asymmetrically detached flow) ist die Intensität der transversalen Kraft signifikant reduziert. Der geringe Frequenzinhalt des dynamischen axialen Kraftspektrums steigt an, während der Inhalt bei hoher Frequenz verglichen zu dem asymmetrisch abgelösten Fall sinkt.
• In 2 liegt oberhalb der dicken durchgezogenen Linie, die auch als Ablöselinie bezeichnet werden kann, der Bereich, in dem sich die symmetrisch abgelöste Strömung A einstellt. Unterhalb der dicken durchgezogenen und oberhalb der gestrichelten Linie, die auch als Anlegelinie bezeichnet werden kann, liegt der Bereich der asymmetrisch abgelösten Strömung B. Oberhalb und in der Nähe der gestrichelten Anlegelinie liegt der Bereich der angelegten Strömung mit Separationsblase C. Zwischen der gestrichelten Anlegelinie und der dünnen durchgezogenen Linie sowie rechts von der Punkt-gestrichelten Linie liegt ferner der Bereich der vollständig anliegenden Strömung D. In dem Bereich zwischen der gestrichelten, der strich-punktierten und der dünnsten durchgezogenen Linie sperrt das Ventil 1.
• Während die hauptsächliche Form der Kraftspektren im Wesentlichen von der Topologie abhängt, wird die Intensität der Kraft auch durch Betriebsbedingungen beeinflusst. Der quadratische Mittelwert der axialen und der transversalen Kraft an verschiedenen Betriebspunkten ist in den 5 bis 8 gezeigt. Die 9 enthält eine Legende zu den Darstellungen. Die axiale Kraft F_ax hängt im Wesentlichen von dem allgemeinen Druckverhältnis und dem Ventilhub ab. In dem untersuchten Bereich steigt die axiale Kraft mit ansteigendem Ventilhub und sinkt mit ansteigendem Druckverhältnis bei gleichem Ventilhub. Die Strömungstopologie hat nur einen geringen Einfluss auf die dynamische Kraft. Im Gegensatz dazu hat die Strömungstopologie einen großen Einfluss auf die transversalen Kräfte. Im Fall der abgelösten Strömung ist die dynamische Kraft wesentlich höher im Vergleich zu anliegenden Strömungsfällen. Die Intensität der dynamischen Kraft der abgelösten Strömung hängt von der Differenz zwischen dem Druckverhältnis und dem Druckverhältnis des Anlegens des untersuchten Ventilhubs ab. Die dynamische transversale Kraft ist nah an dem Druckverhältnis des Anlegens höher.
• In den 6 bis 8 ist jeweils das Druckverhältnis des Anlegens PRA (pressure ratio of attachment) eingezeichnet, unterhalb dem der Bereich der abgelösten Strömung (detached flow) und oberhalb dem der Bereich der anliegenden Strömung (attached flow) liegt.
• Da die CFD Simulationen zeitintensiv sind und hohe Rechnerkapazitäten benötigen, ist eine dimensionslose Formulierung, die die Vorhersage der dynamischen Kräfte innerhalb des untersuchten Bereichs ermöglicht, für die Bestimmung betriebstechnischer Grenzen vorteilhaft.
• Der Ansatz der akustischen Effizienz η_ac von Graf et al. ("Verification of Scaling Rules for Control Valve Noise by Means of Model Test", Fluid-Structure Interaction, Aeroelasticity, Flow-Induced Vibration and Noise 2, eds, M. P. Paidoussis et al., ASME Pub. Ad-53-2 Vol. 2, pp. 445–462) ist an diesen Fall angepasst. Da die Kraft und nicht der Schallpegel von Interesse ist, wird die charakteristische akustische Leistung P_ac,rep basierend auf der dynamischen Kraft F , und der Querschnittsfläche des Ventilsitzes A_Seat berechnet, der ebenfalls als Referenzfläche benutzt wird. z ist die akustische Impedanz des Dampfs in dem Diffusor 5 des Ventils 1 und Ma die Machzahl.

  
• Die aus den transversalen Kräften erhaltene akustische Effizienz kann – wie in 10 gezeigt – versus der Differenz Δπ des Druckverhältnisses π und des Druckverhältnisses des Anlegens π_Attc dargestellt werden. Das Druckverhältnis des Anlegens π_Attc ist eine Funktion des Ventilhubs. 10 zeigt, dass die akustische Effizienz der transversalen Kraft eine Funktion von Δπ und anderen Einflüssen ist, da die Massendurchflussrate oder die Druckdifferenz durch eine dimensionslose Formulierung eliminiert werden kann.
• Die dimensionslose Größe der axialen Kraft wird in 11 dargestellt. Dies zeigt, dass die akustische Effizienz dividiert durch die dimensionslose Jetgröße (A_Jet/A_Seat) mit dem allgemeinen Druckverhältnis korreliert. Die Querschnittsfläche A_Jet des Jets wird mittels der Massendurchflussrate m . und der Durchflussmenge b einer isentropen Expansion von Einlaufbedingungen zu dem Ausgangsdruck p_out berechnet. Mit diesen dimensionslosen Größen können die Ergebnisse zu anderen Betriebspunkten im untersuchten Bereich transferiert werden.

  
• Dabei ist h die spezifische Enthalpie, s die spezifische Entropie und ρ die Dichte.
• In den 10 und 11 sind die Fälle symmetrisch abgelöster Strömungstopologie A durch gepunktete Kreuze, diejenigen asymmetrisch abgelöster Strömung B durch Kreuze mit dünner Linie, diejenigen anliegender Strömung mit Separationsblase C durch Kreuze mit gestrichelter Linie und diejenigen vollständig anliegender Strömung D durch Kreuze mit dicker Linie dargestellt.
• Die dynamischen Kräfte werden zu einem Finite-Element-Model (FEM) transferiert, um die Oszillationen des Ventils 1 zu analysieren. Die Oszillationsbeschleunigung an der Kupplung 8 des Ventils 1 ist in 12 für die axiale und 13 für die transversale Richtung gezeigt. Die stärksten transversalen Oszillationen treten im Fall des asymmetrisch abgetrennten Flusses auf. Wenn ein anliegender Fluss existiert, ist das Oszillationsniveau niedrig. Für Fälle bei denen die transversalen Vibrationen nah bei 0 sind, ist die Bewegung des Ventilkegels 3 effektiv durch die Reibungskraft der Dichtungsringe 10 gedämpft. Auch wenn sich die dynamischen transversalen Kräfte zwischen vollständig anliegendem Fluss und anliegendem Fluss mit Separationsblase unterscheiden, zeigen die Oszillationen keinen wesentlichen Unterschied. Dies bezieht sich auf das transversale Kraftspektrum (4), welches zeigt, dass die ansteigende dynamische Kraft im Wesentlichen auf den hohen Frequenzinhalt bezogen ist, der effektiver gedämpft ist.
• Die in 14 gezeigte Intensität der axialen Oszillationen entspricht annähernd der in 5 dargestellten Intensität der dynamischen axialen Kraft. Jedoch zeigt eine detaillierte Analyse Unterschiede bei dem Verhältnis zwischen der axialen Kraft und der axialen Oszillation. In 14 sind die axialen Vibrationen versus die axiale Kraft aufgetragen, dort sind zwei Abzweige zu sehen. Die Punkte des abgelösten asymmetrischen Flusses bilden einen oberen Abzweiger, während alle anderen Punkte einen tieferen Abzweiger bilden. Daher ist das Verhältnis zwischen den axialen Oszillationen und der axialen dynamischen Kraft höher im Fall des asymmetrischen abgetrennten Flusses als im Fall der anderen Strömungstopologien.
• In 15, wo die transversale Beschleunigung versus die transversale Kraft aufgetragen ist, treten diese Unterschiede nicht auf. Eine einzige Kurve kann für alle Strömungstopologien gezeichnet werden.
• Im Ergebnis zeigen die Computersimulationen, dass vier unterschiedliche Strömungstopologien A, B, C, D, also vier sich voneinander unterscheidende Dampfströmungszustände in dem untersuchten Bereich auftreten, mit denen unterschiedliche Schwingungslevel des Ventils 1 einhergehen. Der Level der dynamischen axialen Kräfte nimmt mit zunehmendem Ventilhub zu und mit einem zunehmenden Druckverhältnis ab. Der Level der transversalen Kräfte zeigt eine starke Abhängigkeit von der Strömungstopologie, also davon, welcher Dampfströmungszustand sich einstellt, er ist deutlich erhöht, wenn der Fluss abgelöst ist. Wenn das Konzept der akustischen Effizienz auf die dynamischen Kräfte adaptiert wird, kann der Einfluss der Strömungstopologie auf die dynamischen Kräfte unabhängig von der Dissipation analysiert werden, die durch die thermodynamischen Bedingungen beaufschlagt wird. Die nicht-dimensionalen transversalen dynamischen Kräfte hängen allein von der Differenz des Druckverhältnisses zu dem Druckverhältnis des Anlegens ab. Die nicht-dimensionalen axialen dynamischen Kräfte hängen von dem Druckverhältnis und dem Jet-Größenverhältnis ab.
• Die strukturelle dynamische Analyse zeigt, dass der Level der Vibrationsbeschleunigung sowohl von dem Level der dynamischen Kräfte als auch der Strömungstopologie abhängt. Im Falle der asymmetrisch abgelösten Strömung ist das Verhältnis der axialen Beschleunigung zu der axialen dynamischen Kraft höher als im Falle der anderen Strömungstopologien.
• Für die Erstellung der Referenzdaten wurde die aus den aus den Computersimulationen gewonnene Erkenntnis, dass sich in Abhängigkeit der Betriebsparameter des Ventils 1 zumindest vier unterschiedliche Dampfströmungszustände A, B, C, D, nämlich der symmetrisch abgelöste A, der asymmetrisch abgelöste B, der angelegte mit Separationsblase C und der vollständig angelegte D Dampfströmungszustand einstellen (vgl. 4) und mit diesen unterschiedliche Belastungen des Ventils 1 einhergehen, herangezogen.
• Konkret wurde ein Datensatz erstellt, der angibt, welche definierten Dampfströmungszustände A, B, C, D sich bei welchen Betriebszuständen einstellen, die jeweils durch einen vorgegeben Wert von bezogenem Massenstrom q, Druckverhältnis π und Ventilhub h definiert sind. Diese Daten umfassen die Werte des Graphen aus 2.
• Ergänzend zu der numerischen Strömungssimulation wurden im Rahmen des dargestellten Ausführungsbeispiels analytische Ansätze für die Analyse des Strömungsverhaltens in dem Ventil 1 herangezogen. Dabei hat sich gezeigt, dass bei besonders niedrigen Ventilhüben ein konvergent/divergenter Düseneffekt auftritt, mit welchem Druckstöße einhergehen. Der Bereich, in welchen dieser Effekt auftritt, liegt in der 2 unterhalb der dünnen durchgezogenen Linie.
• Zusätzlich zu der Durchführung der vorstehend beschriebenen Computersimulationen wurde ferner die Schwingungsanregung an einem bereits im Betrieb gewesenen, zu dem in 1 dargestellten Einströmungsventil 1 baugleichen Einströmventil einer Dampfturbinenanlage gemessen und bei der Erstellung der Referenzdaten berücksichtigt. Die real vorhandene Schwingungsantwort des baugleichen Einströmventils wurde dabei mit Beschleunigungsmessgebern und Dehnungsmessstreifen in Abhängigkeit der betrachteten Betriebsparameter gemessen.
• Über einen Vergleich der Simulationsdaten mit den hierbei erhaltenen Schwingungsmessdaten konnte insbesondere eine Validierung der den Simulationen zugrundeliegenden Modelle erhalten werden.
• Darüber hinaus wurden Daten zu dem Verschleißverhalten des baugleichen Einströmventils, welches bereits im Betrieb war für die Erstellung der Referenzdaten herangezogen. Für das baugleiche Einströmventil wurden im Betrieb die charakteristischen Betriebsparameter, konkret der Absolutdruck vor und hinter dem Ventil, der Ventilhub und die Dampftemperatur, zeitabhängig erfasst und es wurden regelmäßig Überprüfungen des Ventilzustandes durchgeführt, deren Ergebnisse in Befundberichten und Prüfprotokollen festgehalten wurden.
• Die Betriebsdaten dieser realen Fahrweise einer Anlage wurden ausgewertet, wobei die gesamte Betriebsdauer der Anlage mit dem baugleichen Einströmventil seit deren Inbetriebnahme betrachtet und aus den erfassten Betriebsparameterwerten Lastkollektive ermittelt wurden. Es wurden den Betriebsparameterwerten bzw. daraus ermittelten Lastkollektiven unter Rückgriff auf die Ergebnisse der durchgeführten Computersimulation und ggf. den Schwingungsmessungen die identifizierten Dampfströmungszustände zugeordnet und es erfolgte unter Berücksichtigung der zu erwartenden Schwingungsanregung eine Gewichtung.
• Die im vorliegenden Falle herangezogene Auswertung der Betriebsdaten der realen Fahrweise der Anlage ist in 16 dargestellt. Der Graph zeigt, wie viele Betriebsstunden BS die Anlage jeweils bei einem bestimmten Ventilhub h (Y-Achse) und bestimmtem Verhältnis π des Absolutdruckes vor und hinter dem Einströmventil 1 (X-Achse) gefahren wurde. Die Anzahl der Betriebsstunden BS ist in logarithmischer Skala dargestellt. Jede Anzahl von Betriebsstunden BS für einen bestimmten Wert von Ventilhub h und Druckverhältnis π kann als Lastkollektiv erachtet werden.
• Ebenfalls in 16 erkennbar sind die Gebiete der vier unterschiedlichen Dampfströmungszustände A, B, C, D, welche durch in dem Graphen eingezeichnete Grenzkurven voneinander separiert sind.
• Die Information, über welches Gebiet der Betriebsparameter sich welcher Dampfströmungszustand einstellt, ist den Simulationsergebnissen entnommen worden.
• Konkret liegt in 16 – analog zu 2 – oberhalb der dicken durchgezogenen Linie, die auch als Ablöselinie bezeichnet werden kann, der Bereich, in dem sich die symmetrisch abgelöste Strömung A einstellt. Unterhalb der dicken durchgezogenen und oberhalb der gestrichelten Linie, die auch als Anlegelinie bezeichnet werden kann, liegt ein Bereich der asymmetrisch abgelösten Strömung B. Oberhalb und in der Nähe der gestrichelten Anlegelinie liegt der Bereich der angelegten Strömung mit Separationsblase C. Zwischen der gestrichelten Anlegelinie und der dünnen durchgezogenen Linie sowie recht von der Punkt-gestrichelten Linie liegt ferner der Bereich der vollständig anliegenden Strömung D.
• Unterhalb der dünnen durchgezogenen Linie ist – analog zu 2 – der Bereich besonders niedriger Ventilhübe gezeigt, in dem gemäß des analytischen Ansatzes Druckstöße auftreten.
• Die Form des Lastkollektivs in diesem Diagramm entspricht der durch statistische Streuung überlagerten Kennlinie der Dampfturbinenanlage. Ein beliebiges Lastkollektiv einer baugleichen Anlage würde eine ähnliche Form besitzen. Die Verteilung der Betriebsstunden BS innerhalb des Lastkollektivs ist im Gegensatz dazu von der Fahrweise der entsprechenden Anlage abhängig.
• Man erkennt in der 16, dass das ermittelte Lastkollektiv Betriebspunkte mit unterschiedlichen Dampfströmungszuständen enthält. Für ein Druckverhältnis kleiner als etwa 0,61 erreicht die Dampfgeschwindigkeit im engsten Querschnitt des Ventils 1 die Schallgeschwindigkeit c_s, die Strömung ist also kritisch und das Ventil 1 sperrt. Höhere Druckverhältnisse bedeuten eine Durchströmung mit Geschwindigkeiten unterhalb der Schallgeschwindigkeit c_s.
• Im Bereich sehr geringer Ventilhübe h kleiner als 5% sind Betriebspunkte oberhalb der gestrichelten Anlege-Grenzkurve erkennbar. Diese Betriebspunkte liegen im Bereich der anliegenden Strömung mit Separationsblase C. Ebenso sind hier Betriebspunkte unterhalb der mit dünner durchgezogener Linie dargestellten Grenzkurve für den Durchflusszusammenstoß erkennbar. Die mit durchgezogener dicker Linie dargestellte Grenzkurve für die vollständig abgelöste Strömung, oberhalb derer sich die Strömungstopologie A einstellt, wird bei dem vorliegenden Lastkollektiv nicht überschritten.
• Betriebspunkten mit kritischer Durchströmung wurde ein geringerer Gewichtungsfaktor zugeordnet. Denjenigen Betriebspunkten, bei welchen sich ein Strömungszustand oberhalb der gestrichelten Anlege-Grenzkurve (anliegende Strömung mit Separationsblase C) bzw. unterhalb der dünnen durchgezogenen Grenzkurve für den Durchflusszusammenstoß eingestellt hat, wurde ein höherer Gewichtungsfaktor zugeordnet. Diese Zuordnung wurde getroffen, da entsprechend der Strömungssimulation sowie auf Basis des analytischen Ansatzes und der Schwingungsmessungen mit letzteren Dampfströmungszuständen eine höhere Belastung des Einströmventils 1 einhergeht.
• Anschließend erfolgte eine Auswertung realer Schädigungsgrade des baugleichen Einströmventils, wofür die Befundberichte und Prüfprotokolle herangezogen wurden, welche die Angaben zu dem realen Verschleiß des baugleichen Einströmventils während der betrachteten Betriebsdauer enthalten.
• Die Basis für die Auswertung der Schädigungsgrade bildete dabei eine Fehlermöglichkeits- und Einflussanalyse (FMEA) für die Schädigungs- und Verschleißmechanismen des Einströmventils, die aus dem zurückliegenden Betrieb der Dampfturbinenanlage resultieren. Dabei wurde der Hauptfokus zweckmäßiger Weise auf diejenigen Einbauteile des Einströmventils gelegt, die laut der FMEA als führend für den Verschleiß und die daraus resultierenden Einschränkungen der Funktionalität des Einströmventils anzusehen sind. Bei diesen handelte es sich vorliegend um den Ventilkegel 3 und die Ventilspindel 9 sowie die Führungen dieser Komponenten.
• Die Schädigungsmechanismen umfassten dabei den Verschleiß an Oberflächen durch Riefen und Kratzer, die Spiele zwischen Ventil-Einbauteilen und Führungen, Rundlaufeigenschaften der Spindel oder Risse und/oder Abplatzungen an Beschichtungen.
• In einem abschließenden Schritt wurden die beobachteten realen Schädigungen mit den zugehörigen – gemäß den Erkenntnissen aus Simulation und/oder Messung der Schwingungsanregung gewichteten – Betriebsstunden bzw. Lastkollektiven korreliert und es wurden insbesondere Schädigungsfaktoren und/oder Schädigungsgrade als charakteristische Wichtungen für die charakteristischen Betriebszustände ermittelt.
• Hierüber wurden die sich zeitabhängig ändernden Betriebsbedingungen und der daraus tatsächlich resultierende Verschleiß verknüpft.
• Im Ergebnis liegt ein Referenzdatensatz vor, welcher einer Vielzahl von zeitabhängig erfassten Betriebsparameterwerten bzw. einer Vielzahl von daraus bestimmten Lastkollektiven jeweils einen definierten Dampfströmungszustand und einen definierten Schädigungsfaktor und/oder Schädigungsgrad zuordnet.
• Ein einmal für ein Einströmventil bekannter Geometrie auf die vorgenannten Weise erstellter Referenzdatensatz kann dann im Rahmen der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, sofern baugleiche oder ähnliche Einströmventile zu betrachten sind, herangezogen werden.
• Unter Rückgriff auf den auf die zuvor beschrieben Weise erstellten Referenzdatensatz kann den im laufenden Betrieb der Anlage erfassten Werten der Betriebsparameter einer der vier über die Simulation identifizierten Dampfströmungszustände, also entweder symmetrisch abgelöst oder asymmetrisch abgelöst oder anliegend mit Separationsblase oder vollständig anliegend, zugeordnet werden.
• Aus den Werten der erfassten Betriebsparameter des Einströmventils 1 werden vorliegend Lastkollektive gebildet und den Lastkollektiven werden die vorher definierte Dampfströmungszustände sowie zugehörigen Schädigungsfaktoren bzw. Schädigungsgrade unter Heranziehung der Referenzdaten zugeordnet. Die Lastkollektive werden dabei gebildet, indem der tatsächliche zeitliche Verlauf der über die betrachtete Betriebsdauer erfassten Betriebsparameter ausgewertet und Betriebszeiten, zu denen jeweils gleiche Werte des bzw. der Betriebsparameter vorlagen, zusammengefasst werden. So werden Betriebsstundenanzahlen erhalten, über welche die Anlage zu gleichen Betriebsbedingungen gefahren wurde.
• Anschließend wird eine Schadensakkumulationsrechnung durchgeführt. Dies erfolgt vorliegend, indem jedes Lastkollektiv, also jede Anzahl von Betriebsstunden, zu welcher die gleichen Bedingungen vorherrschten, mit dem diesen in Abhängigkeit des zugehörigen Dampfströmungszustandes zugeordneten Schädigungsfaktor multipliziert wird. Hierüber erfolgt eine belastungsabhängige Gewichtung der Lastkollektive. Anschließend werden die auf diese Weise gewichteten Lastkollektive aufaddiert. Diese Vorgehensweise entspricht der Bestimmung äquivalenter Betriebsstunden. Alternativ oder zusätzlich können den Lastkollektiven Schädigungsgrade zugeordnet und die Schädigungsgrade aufaddiert werden, um einen Gesamtschädigungsgrad zu erhalten.
• Aus der äquivalenten Betriebsstundenanzahl und/oder dem Gesamtschädigungsgrad wird dann eine voraussichtliche verbleibende Lebensdauer des Einströmventils 1 geschätzt und ein Überprüfungszeitpunkt für das Einströmventil 1 festgelegt.
• Die Auswertung der erfassten Werte der Betriebsparameter und die erfindungsgemäße Schadensakkumulationsrechnung und Schätzung der Lebensdauer und Festlegung eines Überprüfungszeitpunktes erfolgt bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel jeweils nach Ablauf einer vorgegebenen Betriebsdauer für sämtliche, bis zu diesem Zeitpunkt erfasste Daten. Alternativ oder zusätzlich können die entsprechenden Auswertungen und Rechnungen während des Betriebes der Anlage online durchgeführt und insbesondere jeweils um die aktuell erfassten Betriebsparameterwerte ergänzt werden.
• Da erfindungsgemäß die sich während des Betriebes einstellenden Dampfströmungszustände und die damit verbundenen tatsächlichen Belastungen des Einströmventils 1 berücksichtigt werden, können die Überprüfungszeitpunkte zustandsabhängig festgelegt werden. Dadurch können Zeit, Aufwand und somit Kosten für Instandsetzungsmaßnahme reduziert und das Risiko für ungeplante Stillstände verringert werden. Die Verfügbarkeit der Anlagen wird im Ergebnis erhöht.
• Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Nicht-Patentliteratur
• "Quieting the Flows in Valves using Kinetec Energy Degraders", International Journal of Thermodynamics, Vol. 16 (3), pp. 109–114 (2013) [0116]
• Graf et al. ("Verification of Scaling Rules for Control Valve Noise by Means of Model Tests" Fluid-Structure Interaction, Aeroelasticity, Flow-Induced Vibration and Noise 2, eds., M. P. Paidoussis et al., ASME Pub. Ad-53-2 Vol. 2, pp. 455–462) [0120]
• Graf et al. ("Verification of Scaling Rules for Control Valve Noise by Means of Model Test", Fluid-Structure Interaction, Aeroelasticity, Flow-Induced Vibration and Noise 2, eds, M. P. Paidoussis et al., ASME Pub. Ad-53-2 Vol. 2, pp. 445–462 [0142]

Claims (16)

1. Verfahren zur Ermittlung und/oder Vorhersage des betriebsbedingten Zustandes wenigstens eines Einströmventils (1), über welches einer Dampfturbine Dampf aus einem Dampferzeuger zugeführt wird, bei dem – während des Betriebes der Dampfturbine die Werte von Betriebsparametern des wenigstens einen Einströmventils (1), insbesondere des Absolutdrucks vor und/oder hinter dem Einströmventil (1) und/oder des Ventilhubs und/oder der Dampftemperatur, zeitabhängig messtechnisch erfasst und bevorzugt gespeichert werden, – den erfassten Werten unter Heranziehung von Referenzdaten vorher definierte Dampfströmungszustände in dem wenigstens einen Einströmventil (1) und/oder zu definierten Dampfströmungszuständen gehörende charakteristische Wichtungen, insbesondere Schädigungsfaktoren und/oder Schädigungsgrade, zugeordnet werden, und – unter Berücksichtigung der charakteristischen Wichtungen eine Schadensakkumulationsrechnung über zumindest einen Teil der Betriebsdauer des wenigstens einen Einströmventils (1) durchgeführt und/oder eine Lebensdauer des wenigstens einen Einströmventils (1) geschätzt und/oder wenigstens ein Überprüfungszeitpunkt für das wenigstens einen Einströmventil (1) festgelegt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Referenzdaten herangezogen werden, die eine zuvor erstellte Zuordnung definierter Dampfströmungszustände und zugehöriger charakteristischer Wichtungen, insbesondere Schädigungsfaktoren und/oder Schädigungsgrade zu Betriebsparametern des wenigstens einen Einströmventils (1) umfassen.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Referenzdaten herangezogen werden, für deren Erstellung Computersimulationen zu dem Dampfströmungsverhalten in dem wenigstens einen Einströmventil (1) oder einem ähnlichen Einströmventil durchgeführt wurden, insbesondere numerische Strömungsmechanik-Computersimulationen und/oder Finite-Elemente-Methode-Computersimulationen, und/oder für deren Erstellung analytische Ansätze herangezogen wurden.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass Referenzdaten herangezogen werden, für deren Erstellung Computersimulationen durchgeführt wurden, gemäß derer sich in dem wenigstens einen Einströmventil (1) in Abhängigkeit der Betriebsparameter mindestens zwei, insbesondere mindestens vier verschiedene Dampfströmungszustände einstellen.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Referenzdaten herangezogen werden, für deren Erstellung Schwingungsdaten für das wenigstens eine Einströmventil (1) und/oder für wenigstens ein zu dem Einströmventil (1) baugleiches oder ähnliches Einströmventil messtechnisch erfasst wurden, insbesondere mittels Beschleunigungsmessgebern und/oder Dehnungsmessstreifen.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Referenzdaten herangezogen werden, für deren Erstellung die Werte von Betriebsparametern eines baugleichen oder ähnliche Einströmventils berücksichtigt wurden, die während des Betriebs einer Dampfturbinenanlage, in welcher das baugleiche oder ähnliche Einströmventil verwendet wurde, zeitabhängig erfasst worden sind.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Referenzdaten herangezogen werden, für deren Erstellung der reale betriebsbedingte Verschleiß eines zu dem wenigstens einen Einströmventil (1) baugleichen oder ähnlichen Einströmventils berücksichtigt wurde, der insbesondere ermittelt wurde, indem während des Betriebs einer Dampfturbinenanlage, in welcher das baugleiche oder ähnliche Einströmventil verwendet wurde, zu vorgegebenen Überprüfungszeitpunkten der Zustand des baugleichen oder ähnlichen Einströmventils überprüft wurde.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertung des realen betriebsbedingten Verschleißes des baugleichen oder ähnlichen Einströmventils auf Basis einer Fehlermöglichkeits- und Einflussanalyse für Schädigungs- und Verschleißmechanismen erfolgte, und insbesondere der Zustand von denjenigen Bauteilen des baugleichen oder ähnlichen Einströmventils betrachtet wurde, welche gemäß der Fehlermöglichkeits- und Einflussanalyse besonders von Schädigungen und/oder Verschleiß betroffen sind, wobei es sich bei den besonders betroffenen Bauteilen des baugleichen oder ähnlichen Einströmventils bevorzugt um eine Spindel und/oder einen Kegel und/oder die Führungen einer Spindel und/oder eines Kegels handelt.
9. Verfahren nach Anspruch 6 und 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass Referenzdaten herangezogen werden, für deren Erstellung aus den berücksichtigten Werten der Betriebsparameter des baugleichen oder ähnlichen Einströmventils Lastkollektive ermittelt und den Lastkollektiven unter Heranziehung einer Computersimulation zu dem Strömungsverhalten in dem baugleichen oder ähnlichen Einströmventil Dampfströmungszustände zugeordnet wurden, und unter Berücksichtigung der für die Dampfströmungszustände zu erwartenden Schwingungsanregung eine Gewichtung der Lastkollektive erfolgte, und die gewichteten Lastkollektive mit dem ermittelten realen betriebsbedingten Verschleiß des baugleichen bzw. ähnlichen Einströmventils in Beziehung gesetzt wurden, um zu den Dampfströmungszuständen gehörige charakteristische Wichtungen, insbesondere Schädigungsfaktoren und/oder Schädigungsgrade zu ermitteln.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Referenzdaten herangezogen werden, die wenigstens einen Graphen umfassen, in welchem die vorher definierten Dampfströmungszustände in Abhängigkeit von Betriebsparametern des wenigstens einen Einströmventils (1) dargestellt sind.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Referenzdaten herangezogen werden, die Grenzkurven umfassen, welche nebeneinanderliegende Bereiche von Betriebsparametern des wenigstens einen Einströmventils (1), zu denen jeweils eine Dampfströmungszustände gehört, voneinander separieren.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schadensakkumulationsrechnung eine Bestimmung von äquivalenten Betriebsstunden und insbesondere deren Aufsummierung umfasst, wobei die Schadensakkumulationsrechnung insbesondere eine Multiplikation von zumindest einem Teil zurückliegender Betriebsstunden mit den zu den vorher definierten Dampfströmungszuständen gehörenden charakteristischen Wichtungen, insbesondere Schädigungsfaktoren und/oder Schädigungsgraden einschließt.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus den Werten der erfassten Betriebsparameter Lastkollektive gebildet und den Lastkollektiven Dampfströmungszustände und insbesondere zu den Dampfströmungszuständen gehörende charakteristische Wichtungen zugeordnet werden.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Werte des Betriebsparameters des wenigstens einen Einströmventils (1) zumindest Werte des Absolutdrucks vor und/oder hinter dem wenigstens einen Einströmventil (1) und des Ventilhubs und insbesondere der Dampftemperatur zeitabhängig erfasst werden.
15. Verfahren zum Betreiben einer Anlage mit einer Dampfturbine, welcher durch wenigstens ein Einströmventil (1) Dampf aus einem Dampferzeuger zugeführt wird, bei dem für wenigstens ein Einströmventil (1) das Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche durchgeführt und das Ergebnis der Schadensakkumulationsrechnung und/oder die geschätzte Lebensdauer und/oder der wenigstens eine festgelegte Überprüfungszeitpunkt beim Betrieb der Anlage berücksichtigt wird.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlage derart betrieben wird, dass die Werte der Betriebsparameter des wenigstens einen Einströmventils (1), zu denen eine höhere charakteristische Wichtung, insbesondere ein höherer Schädigungsfaktor und/oder höherer Schädigungsgrad gehört, gezielt vermieden werden, um den Verschleiß des wenigstens einen Einströmventils (1) zu reduzieren.

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