Eine HRSG arbeitet nicht zwangsläufig während ihrer gesamten Lebensdauer unter den Nennbedingungen, für die ihr Auslegungspunkt festgelegt wurde. Wenn sich die Last der Gasturbine ändert, ändern sich auch das thermische Profil der Gase und das Verhältnis zwischen der verfügbaren Energie und dem Wasserdurchfluss durch den Economizer.
Gerade unter diesen vom Nennpunkt abweichenden Bedingungen kann ein Phänomen auftreten, das bereits in der Planungsphase überprüft werden sollte: das „Steaming“ des Economizers.
Das Problem besteht nicht nur darin, dass ein Teil des Wassers bereits vor Erreichen des Verdampfers zu verdampfen beginnt. Diese Verdampfung kann die hydraulische Verteilung innerhalb der Rohre verändern und Betriebsbedingungen erzeugen, die die Stabilität und in schweren Fällen sogar die Integrität des Rohrbündels beeinträchtigen.
Daher reicht es möglicherweise nicht aus, einen HRSG ausschließlich bei Nennbetrieb zu analysieren. Das Verhalten bei Teillast ist ebenfalls Teil der Auslegung.

Unter normalen Bedingungen gewinnt der Economizer Wärme aus den Abgasen zurück, um die Temperatur des Speisewassers zu erhöhen, bevor dieses in den Verdampfungsabschnitt gelangt.

Das Wasser muss im gesamten Economizer in unterkühltem flüssigem Zustand gehalten werden.

Als „Steaming“ bezeichnet man das Phänomen, bei dem dieses Wasser innerhalb der Rohre des Economizers selbst teilweise zu verdampfen beginnt – und zwar in einem Bereich, in dem die Konstruktion die Bildung von Dampf noch nicht vorsieht.

Das Auftreten dieser Dampfphase verändert das hydraulische Verhalten des Kreislaufs. Es geht daher nicht lediglich darum, mehr Wärme als vorgesehen zurückzugewinnen, sondern darum, in einen Betriebszustand überzugehen, der sich von dem unterscheidet, für den dieser Abschnitt des HRSG ausgelegt wurde.

Der Approach Point gibt die Differenz zwischen der Wassertemperatur am Ausgang des Economizers und der entsprechenden Sättigungstemperatur an.

Solange diese Differenz besteht, verlässt das Wasser den Economizer noch in unterkühltem flüssigem Zustand.

Wenn die Differenz immer weiter abnimmt, bis sie schließlich ganz verschwindet, erreicht das Wasser den Zustand, in dem es im Economizer zu verdampfen beginnt.

Daher darf der Approach-Punkt nicht ausschließlich als thermischer Parameter des Nennpunkts verstanden werden. Seine Entwicklung bei sich ändernden Betriebsbedingungen ist entscheidend, um zu überprüfen, ob der Economizer weiterhin innerhalb des vorgesehenen Betriebsbereichs arbeitet.

Die Teillast verändert das thermische Gleichgewicht, unter dem der HRSG arbeitet.

Wenn die Gasturbine außerhalb ihres Nennbetriebsbereichs arbeitet, ändert sich das Temperaturprofil der Gase. Unter bestimmten Bedingungen kann der Economizer im Verhältnis zum Wasserdurchfluss durch seine Rohre mehr Wärme aufnehmen.

Das Ergebnis ist eine Verringerung des Spielraums gegenüber der Sättigungstemperatur.

Verschwindet diese Reserve, beginnt die teilweise Verdampfung des Wassers im Economizer.

Dieses Verhalten erklärt, warum ein HRSG, das unter Nennbedingungen einwandfrei funktioniert, bei Betrieb an anderen Lastpunkten Probleme aufweisen kann.

Entscheidend ist daher nicht nur, zu überprüfen, ob der Economizer bei 100 % Last einwandfrei funktioniert, sondern auch sicherzustellen, dass er das Wasser unter den verschiedenen für die Anlage vorgesehenen Betriebsbedingungen weiterhin in flüssigem Zustand hält.

Die Dampfbildung im Economizer führt zu einer Veränderung des Strömungsverhaltens.

Sobald Dampfblasen auftreten, ist die Verteilung zwischen den einzelnen Rohren nicht mehr gleichmäßig. Einige Rohre können einen höheren Durchfluss aufweisen, während andere einen geringeren Durchfluss aufweisen.

Diese Ungleichheit ist die Ursache des Problems.

Rohrleitungen, durch die ein geringerer Durchfluss fließt, verlieren ihre Fähigkeit, die von ihnen aufgenommene Wärme abzuführen, und es kann zu lokalen Überhitzungen kommen.

Auf diese Weise kann ein Phänomen, das als thermische Abweichung beginnt, zu einem hydraulischen und mechanischen Problem werden.

Die mit dem Steaming verbundenen Instabilitäten können sich innerhalb des Strahls auf unterschiedliche Weise äußern.

• Ungleiche Verteilung des Durchflusses auf die Rohre.
• Lokale Überhitzungen in den Rohren mit geringerer Durchströmung.
• Schwingungen des Rohrbündels.
• Wasserschläge im Zusammenhang mit dem Zusammenbruch von Dampfblasen.
• Innere Erosion.
• Rohrermüdung.
• In schweren Fällen kommt es zu einem Rohrbruch.

Die Bedeutung dieses Phänomens liegt gerade in dieser Kette von Auswirkungen.

Der Economizer kann zwar für die Übertragung der vorgesehenen Wärmebelastung korrekt ausgelegt sein, dennoch ein unzureichendes Verhalten aufweisen, wenn die tatsächlichen Betriebsbedingungen dazu führen, dass das Wasser innerhalb des Rohrbündels verdampft.

Die Prävention beginnt bereits vor der Inbetriebnahme des HRSG.

Bei der Auslegung ist das Verhalten des Economizers nicht nur unter Nennbedingungen, sondern auch bei den für den vorgesehenen Betrieb relevanten Teillasten zu überprüfen.

Ziel ist es, sicherzustellen, dass das Wasser einen ausreichenden Spielraum gegenüber der Sättigung aufweist und dass es an keinem der betrachteten Betriebspunkte im Economizer zu verdampfen beginnt.

Diese Überprüfung ist von besonderer Bedeutung, wenn das Betriebsprofil der Anlage Lastschwankungen umfasst.

Eine Auslegung, die sich ausschließlich am Nennpunkt orientiert, kann dazu führen, dass genau jene Bedingungen unberücksichtigt bleiben, unter denen das Verhältnis zwischen verfügbarer Wärme und Wasserdurchfluss am ungünstigsten ist.

Das Steaming verdeutlicht einen weitergehenden Aspekt bei der Auslegung von Wärmerückgewinnungsanlagen: Das korrekte Erreichen der Nennleistung allein garantiert noch kein stabiles Verhalten über den gesamten Betriebsbereich hinweg.

In einem HRSG ändert sich das Verhältnis zwischen Gastemperatur, Wasserdurchfluss und Sättigungsbedingungen bei einer Änderung der Belastung.

Daher müssen bei der Analyse des Economizers die tatsächlichen Betriebsbedingungen der Anlage berücksichtigt werden.

Der Anflugpunkt ist somit nicht mehr nur eine Konstruktionsgröße, sondern wird zu einer Sicherheitsmarge, die unter Berücksichtigung der verschiedenen Betriebsszenarien überprüft werden muss.

Bei der Auslegung eines HRSG oder der Überprüfung des Betriebsverhaltens einer bestehenden Anlage sollte sich die Analyse auf den Zusammenhang zwischen den thermischen Bedingungen und dem Wasserdurchfluss durch den Economizer konzentrieren.

Insbesondere sollten folgende Punkte überprüft werden:

• Die Nennauslegungsbedingungen des Economizers.
• Die vorgesehenen Teilbeladungsstellen.
• Das Temperaturprofil der Gase unter diesen Bedingungen.
• Die Durchflussmenge des durch den Economizer strömenden Wassers.
• Die Auslasstemperatur des Wassers.
• Die Abweichung von der Sättigungstemperatur.
• Das mögliche Auftreten von Verdampfung innerhalb der Rohre.
• Die Stabilität der Durchflussverteilung zwischen den verschiedenen Kreisläufen.

Ziel ist es, zu überprüfen, ob der Economizer über den gesamten vorgesehenen Betriebsbereich hinweg weiterhin als Economizer funktioniert.

Steaming sollte nicht als isoliertes Phänomen betrachtet werden.

Das Auftreten dieses Meldungscodes deutet darauf hin, dass unter bestimmten Betriebsbedingungen die Wärmebilanz des Economizers nicht mehr ausreicht, um das Wasser im vorgesehenen unterkühlten Flüssigkeitsbereich zu halten.

Ab diesem Zeitpunkt können hydraulische Instabilitäten, lokale Überhitzungen und mechanische Beanspruchungen auftreten, die die Zuverlässigkeit des Rohrbündels beeinträchtigen.

Daher besteht die beste Strategie nicht darin, erst dann zu reagieren, wenn Schwingungen, Druckstöße oder Schäden an den Rohrleitungen auftreten, sondern bereits in der Planungsphase sicherzustellen, dass solche Zustände gar nicht erst eintreten.

Ein ordnungsgemäß ausgelegter HRSG muss nicht nur den Auslegungspunkt erfüllen, sondern auch den Teillastbedingungen gerecht werden, unter denen er während seiner Lebensdauer betrieben werden muss.

Bei AITESA basiert die Auslegung eines HRSG auf den tatsächlichen Gasbedingungen, dem erforderlichen Dampfbedarf und dem für die Anlage vorgesehenen Betriebsprofil.

Im Falle des Economizers bedeutet dies, dass überprüft werden muss, ob das thermische Verhalten auch bei Laständerungen innerhalb der vorgesehenen Bedingungen bleibt, um zu verhindern, dass die erforderliche Sicherheitsmarge gegenüber der Sättigung verloren geht und es innerhalb des Strahls zur Verdampfung kommt.

Wenn eine Anlage bei Teillast Instabilitäten aufweist oder die Auslegung, Änderung oder Modernisierung eines HRSG geprüft wird, muss die Analyse unter Berücksichtigung der konkreten Betriebsbedingungen der Anlage durchgeführt werden.

Sie können dem technischen Team von AITESA das beobachtete Verhalten, die Betriebsbedingungen sowie die verfügbaren Informationen zum HRSG übermitteln.

Anhand dieser Ausgangsdaten lässt sich der Fall analysieren und beurteilen, welche Aspekte des Economizers und des Betriebsmodus überprüft werden sollten.