Tennessee Valley Authority
Kingston, Tennessee

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Lebensdauer von Saugzuggebläsefl ügeln von 5 – 8 Monaten
auf über 30 Monate verlängert

Das Kingston-Kraftwerk der Tennessee Valley Authority (TVA) wurde 1955 errichtet und ist eines von elf Kohlekraftwerken im Besitz und Betrieb der TVA. Das Kraftwerk befi ndet sich westlich von Knoxville im Bundesstaat Tennessee, wo die beiden Flüsse Emory und Clinch zusammenfließen.  

Das Kingston Kraftwerk von TVA

Nach seiner Fertigstellung war Kingston mehr als zehn Jahre lang das größte Kohlekraftwerk der Welt. Das Kraftwerk brennt derzeit schwefelarme Kohle von den Zentralappalachen.

Mit neun kohlebefeuerten Kesseln produziert das Kingston-Kraftwerk ca. zehn Milliarden Kilowattstunden Elektrizität pro Jahr und versorgt mehr als 700.000 Haushalte. Um den Bedarf zu decken, verbrennt das Kraftwerk täglich 14.000 Tonnen Kohle. Um die SO2-Emissionen zu verringern, verwenden alle neun Kessel ein schwefelarmes Kohlegemisch. Zur NOx-Reduzierung kommen bei den Kesseleinheiten 1-4 und 9 Verbrennungsregelungen und Kesseloptimierung zum Einsatz, während die Einheiten 5-88 Low-NOx-Brenner einsetzen.

1977 wurden die Kesseleinheiten mit Elektrofi lter ausgestattet. Aus Platzgründen und wegen fi nanzieller Beschränkungen wurden die Saugzuggebläse für die Einheiten 5-9 vor den Elektrofi ltern und dem mechanischen Flugaschesammler belassen, während die Saugzuggebläse für die Einheiten 1-4 hinter die Elektrofi lter verlagert wurden.

Innerhalb von sechs Monaten nach Installation der Elektrofi lter entdeckte das Wartungspersonal, dass die Saugzuggebläse der Einheiten 5-9 schwer durch Flugasche erodiert waren. Die Gebläse unterlagen hohen Staubbelastungen von ca. 3,6 g/Kubikfuß pro Minute. Nach einer durchschnittlichen Laufzeit von 12-14 Monaten mussten die stählernen Gebläsefl ügel, die Aufl ager und die Mittelnabe repariert bzw. ausgewechselt werden. Schließlich war die Erosion so weit fortgeschritten, dass mehrere Gebläsefl ügel vollständig verschlissen waren, was zum Gebläseausfall führte, wodurch das Gebläse aus seinem Betonfundament herausgehoben werden musste.

Vorbeugende Wartung

Als Teil eines laufenden vorbeugenden Wartungsprogramms messen Ingenieure des TVA-Kraftwerks wöchentlich die Vibration an allen Saugzuggebläse. Obwohl Vibration eine gute allgemeine Indikation von Erosionsverschleiß ist, folgen die Messwerte nicht immer einem verlässlichen linearen Trend. In zwei getrennten Fällen befanden sich die Gebläsevibrationswerte noch innerhalb der zulässigen Grenzen, obwohl die Erosion das Gebläse bereits vollkommen zerstört hatte.

Laut Dan Cowser, Leiter von Ausfall- und Kapitalprojekten des Kingston-Kraftwerks, stellt „Gebläseerosion einen unserer aufwändigsten Wartungsposten dar, die das Kraftwerk über eine halbe Million Dollar jährlich allein an Material und Personal kosten. Mehr als einmal haben wir die Verlagerung der Saugzuggebläse ins Auge gefasst, um die Flugaschenerosion zu reduzieren oder ganz zu eliminieren. Es würde jedoch etwa 20 Jahre dauern, bis das Kraftwerk die Kosten amortisieren könnte. Das Projekt würde eine wesentliche Neukonstruktion der Gebläse und eine enorme Erhöhung der Gebläsemotorleistung erfordern, um die erforderlichen Leistungswerte beizubehalten.“

Gebläseflügelerprobung

Ungeschützte Gebläsefl ügel aus Stahl wiesen nach dreimonatigem Betrieb starken Verschleiß auf

Cowser, der 1997 seine Tätigkeit im Kingston-Kraftwerk aufnahm, bemerkte, dass die Saugzuggebläse zwischen 12 und 14 Monate liefen, bis Wartungsreparaturen anfi elen. 1999 installierte das Kraftwerk neue Rußbläser, worauf sich die Lebensdauer der Saugzuggebläse in den Einheiten 5-9 auf 5 bis 8 Monate verkürzte. Cowser kommentierte: „Es war klar, dass der Gebläseverschleiß durch das Pumpen größerer Mengen erosiver Flugasche durch das System erhöht wurde.“

Kesseleinheiten werden für Gebläsereparaturen zwar nicht außer Betrieb genommen, jedoch ist eine beträchtliche Leistungsreduzierung erforderlich, wenn ein Gebläse mit neuen Flügeln ausgestattet werden muss.

Aufgrund der steigenden Kosten im Zusammenhang mit kürzeren Gebläselaufzeiten und der Notwendigkeit, in Spitzenbedarfszeiten mit voller Kapazität zu fahren, bat das Kingston-Kraftwerk die Energy Research & Technology Applications (ER&TA) Gruppe von TVA und das Electric Power Research Institute (EPRI) um Hilfe. ER&TA unterstützt die Betreiber des Werks- und Getriebesystems von TVA mit der Erforschung und Entwicklung neuer Technologien.

EPRI, eine Non-Profi t-Organisation, welche wissenschaftlich und technologisch basierte Lösungen für globale Energiekunden liefert, führte Tests in Zusammenarbeit mit ER&TA durch, um zu bestimmen, welche Schutzmaterialien der schweren Erosionsbelastung standhalten könnten, der die
Saugzuggebläse in den Einheiten 5-9 des Kingston-Kraftwerks unterlagen.

Durchführung von Messungen an der Wolframkarbidb eschichtung durch die TVA ER&TA Gruppe

Donna Dearmon, Projektleiterin für das Instrumentierungs- und Kontrollzentrum des EPRI, nahm eine Suche nach Lieferanten von verschleißfesten Materialien vor und koordinierte die
Tagesaktivitäten mit dem TVA-Personal.

Das Projekt wurde im Herbst 2001 ins Leben gerufen. Die Studie untersuchte sechzehn verschleißgeschützte Gebläsefl ügel von sechs kommerziellen Lieferanten. Zu den getesteten Materialien gehörten Chromkarbid-Auftragschweißung, Wolframkarbid-Flammenspritzung mit Ofenschmelzsicherung, zwei Typen von Wolframkarbid-Hochgeschwindigkeitsfl ammspritzen (HVOF), Wolframkarbid-Plasmaspritzen und Conforma Clad® infi ltrationshartgelötete Wolframkarbidbeschichtung.

Die Gebläsefl ügel wurden über einen Zeitraum von 69 Tagen am Saugzuggebläse der Einheit 9 des Kingston-Kraftwerks getestet. Bei dem Gebläse handelte es sich um ein 400.000 CFM Westinghouse Modell 16MVID mit doppelten Einlässen, einzelnem Auslass und vorwärts gekrümmten Gebläsefl ügeln. Das Gebläse bestand aus 120 Flügeln mit einer Wellendrehzahl von 593 U/min.

Die ursprünglichen Gebläsefl ügel wogen je 15 kg. Da das Conforma Clad infi ltrationshartgelötete Wolframkarbidmaterial pro Gebläsefl ügel weitere 2,5 kg hinzufügte, wurde ein neuer Flügel entwickelt. Das Verschleißpolster des Flügels wurde entfernt und statt einer Kehlnahtschweißung wurde eine Durchgangsschweißung verwendet, um das Gesamtgewicht zu reduzieren und die Festigkeit zu erhöhen.

Verschleißgeschützte Flügel wurden über das gesamte Gebläse verteilt. Um die Auswuchtung zu erleichtern, wurden die schwereren Flügel mit infi ltrationshartgelöteter Wolframkarbidbeschichtung um 180° zueinander versetzt. Da die Materialverschleißraten nicht bekannt waren, verteilten die Testorganisatoren die Flügel sorgfältig, um sicherzustellen, dass eine erosionsbedingte Gewichtsänderung keine Neuauswuchtung des Gebläses erforderte.

Am Ende des 69-tägigen Tests wurden alle Flügel, mit Ausnahme der mit infi ltrationshartgelöteter Wolframkarbidbeschichtung, entfernt. Die mit Chromkarbid-Auftragschweißung und Wolframkarbid-HVOF geschützten Flügel wurden entfernt, weil die Beschichtung vollkommen verschlissen war.

Die durch Chromkarbid-Auftragschweißung geschützten Flügel zeigten einen Materialverlust von 0,150 Zoll (3,8 mm), litten unter einem Riss in der zentralen Verbindungsscheibe und wiesen einen extremen Verschleiß an der Vorderkante auf. Messungen an den Conforma Clad® Flügeln wiesen dagegen einen Materialverlust von weniger als 0,010 Zoll (0,3 mm) an der Vorderkante auf.

„Conforma Clads hartgelötetes Wolframkarbidmaterial weist überragende Erosionsbeständigkeit auf.“ - EPRI CS6068, Projekt 1649-4

Diese Ergebnisse stimmten mit den Befunden einer TVA/EPRI Studie 1988 (EPRI CS-6068, Projekt 1649- 4) überein, die ebenfalls die Wirkungen von Flugaschenerosion in Kohlekraftwerken untersucht hatte. Ein Regenbogenrad, welches mehr als zehn verschiedene Arten von Verschleißsc
hutzüberzügen trug, wurde in einer hoch erosiven Kesselumgebung installiert. Nach Abschluss des Tests berichtete das Westinghouse Forschungsund Entwicklungszentrum, das die Studie vornahm, im abschließenden EPRI-Report, dass „Conforma Clads hartgelötetes Wolframkarbidmaterial überragende Erosionsbeständigkeit aufweist.“

Conforma Clad® Flügel an Gebläseeinheit 8B zeigten nach siebenmonatiger Laufzeit 0,014 Zoll (0,35 mm)

Neue verschleißgeschützte Flügel installiert

Basierend auf den Testergebnissen, begann Kingston mit der Nachrüstung der Saugzuggebläse für die Einheiten 5-9 mit Flügeln von Conforma Clad. Die ersten Flügel wurden im Oktober 2002 in das Saugzuggebläse von Einheit 8B installiert. Nach siebenmonatiger Laufzeit zeigten die Flügel mit Wolframkarbidbeschichtung einen Materialverlust von 0,014 Zoll (0,35 mm) oder weniger an der Vorderkante. Aufgrund der aufgebrachten Dicke der Wolframkarbidbeschichtung haben die Flügel eine Lebensdauererwartung von mehr als 30 Monaten, d. h. viermal länger als ungeschützte Gebläseflügel.

Die Testdaten zeigen, dass die dichtgepackte Wolframkar bidbeschichtung mit einer gleichmäßigen und vorhersehbaren Rate verschleißt. Hohe Bindestärken von über 70.000 psi (482633 kPa) liefern eine Schutzbarriere, welche Abplatzen, Rissbildung und Abblättern widersteht.

Die Ergebnisse der gemeinsamen Test sind vielversprechend. Die Testergebnisse wurden durch das begrenzte Ausmaß an Materialverschleiß am Gebläse der Kingston-Einheit 8B nach sieben Monaten Laufzeit weiter bekräftigt. EPRI ließ verlauten, dass sich der abschließende Bericht im Entwurfsstadium befindet.