Die Auslegung eines HRSG-Kessels hat weitaus größere Auswirkungen als nur der Platzbedarf. Die Ausrichtung des Gasstroms und der Rohrbündel beeinflusst die Zirkulation von Wasser und Dampf, den Hilfsstoffverbrauch, das Ansprechverhalten bei Anläufen und Lastwechseln, den baulichen und anlagentechnischen Umfang, die Zugänglichkeit für Inspektionen sowie die Wartungskosten während der gesamten Lebensdauer der Anlage.
Daher sollte die Entscheidung zwischen einem horizontalen und einem vertikalen HRSG nicht allein auf der Grundlage der verfügbaren Stellfläche getroffen werden. Beide Konfigurationen können sinnvoll sein, reagieren jedoch unterschiedlich auf die jeweiligen Einschränkungen hinsichtlich Betrieb, Wartung und Integration des jeweiligen Projekts.
Die Entscheidung muss sich am tatsächlichen Profil der Anlage orientieren: Lastprofil, Häufigkeit von Starts und Stopps, Abgasbedingungen, verfügbarer Platz, Zirkulationsstrategie und Zugangsanforderungen. Eine zu spät getroffene Entscheidung kann zu strukturellen Mehrkosten, einem höheren Hilfsenergieverbrauch oder Wartungseinschränkungen führen, die nach Fertigstellung der Anlage nur schwer zu beheben sind.

Wenn von einer horizontalen oder vertikalen Anordnung in einem HRSG die Rede ist, bezieht sich dies in erster Linie auf die Strömungsrichtung der Gase. Diese Richtung bestimmt die Anordnung der Rohrbündel und beeinflusst die Art und Weise, wie das Medium im Verdampferkreislauf zirkuliert.

HRSG in horizontaler Bauweise

In einem horizontalen HRSG strömen die Abgase aus der Gasturbine horizontal durch den Kanal, während die Rohrbündel vertikal angeordnet sind. Das Wasser und das Wasser-Dampf-Gemisch strömen in diesen Rohren auf und ab – eine Geometrie, die mit der natürlichen Zirkulation aufgrund von Dichteunterschieden vereinbar ist.

HRSG in vertikaler Bauweise

In einem vertikalen HRSG strömen die Gase durch die Anlage nach oben, und die Rohrbündel sind horizontal angeordnet. In der üblicherweise beschriebenen Konfiguration wird die Zirkulation im Verdampferkreislauf durch Pumpen aufrechterhalten, da die Geometrie der Rohre allein nicht denselben natürlichen Zirkulationseffekt erzeugt wie eine vertikale Anordnung.
Es handelt sich hierbei nicht um eine absolute Gleichwertigkeit. Auch bei horizontalen Rohren können Kreisläufe mit natürlicher Zirkulation entstehen, sofern die erforderliche Neigung vorhanden ist, um die Bewegung des Wasser-Dampf-Gemischs zu begünstigen. Daher muss die Ausrichtung im Zusammenhang mit der gesamten hydraulischen Auslegung betrachtet werden und nicht als isoliertes Merkmal.

Beispiel: Horizontale Anordnung eines Heizkessels

Die Art der Zirkulation ist einer der wesentlichsten Unterschiede zwischen den beiden Konfigurationen, da sie sich auf den Hilfsenergieverbrauch, die mechanische Komplexität und das Verhalten des Verdampfers über den gesamten Betriebsbereich hinweg auswirkt.

Natürliche Zirkulation

Die natürliche Zirkulation nutzt den Dichteunterschied zwischen dem flüssigen Wasser – das kälter und dichter ist und durch die Fallrohre (Downcomers) absinkt – und dem Wasser-Dampf-Gemisch – das weniger dicht ist und durch die Steigrohre (Risers) aufsteigt. Die vertikale Anordnung der Rohre begünstigt diesen Mechanismus und erklärt deren übliche Verwendung in HRSG mit horizontalem Durchfluss.

Der Verzicht auf Umwälzpumpen vereinfacht die Installation, senkt den Hilfsstromverbrauch und eliminiert eine wartungspflichtige mechanische Komponente. Im Gegenzug muss die Konstruktion eine stabile Zirkulation nicht nur im Nennbetrieb, sondern auch bei Anlaufphasen, Lastwechseln und anderen Übergangsbedingungen gewährleisten.

Zwangskreislauf

Bei der Zwangsumwälzung werden Pumpen eingesetzt, um die Flüssigkeit durch den Verdampferkreislauf zu fördern. Dies bringt zwar mechanische Komponenten, zusätzlichen Energieverbrauch und einen erhöhten Wartungsaufwand mit sich, ermöglicht jedoch eine aktive Steuerung des Umwälzdurchflusses und sorgt für ein besser vorhersehbares Verhalten bei sich ändernden Betriebsbedingungen.

Der Nutzen dieser Regelung ist in Anlagen mit häufigen Start- und Stoppvorgängen oder mit erheblichen Lastschwankungen besonders groß. Die Zwangsumwälzung allein macht eine HRSG jedoch noch nicht zu einer Schnellstartanlage: Das endgültige Ansprechverhalten hängt auch von der thermischen Auslegung, der Regelungsstrategie, den zulässigen Gradienten und den Startverfahren ab.

Beispiel für die vertikale Aufstellung eines Heizkessels

Jahrelang wurden viele Kombikraftwerke für einen relativ stabilen Betrieb ausgelegt. In diesem Zusammenhang bieten horizontale HRSG-Anlagen mit natürlicher Zirkulation eine robuste Lösung, die mit weniger Hilfsanlagen auskommt und deren Bauweise bei Anlagen mit hoher Leistung weit verbreitet ist.

Ein flexibler Betrieb erfordert es, das Problem aus einer anderen Perspektive zu betrachten. Wenn eine Anlage häufiger an- und abgeschaltet werden muss, über längere Zeiträume bei Teillast betrieben wird oder schnell auf Nachfrageschwankungen reagieren muss, gewinnen thermische Übergangsphasen an Bedeutung. In solchen Szenarien kann eine Zwangsumwälzung bereits in den ersten Phasen des Anlaufs eine bessere Durchflussregelung ermöglichen.

Bei HRSG-Anlagen mit natürlicher Zirkulation kann eine unsachgemäße Steuerung des Anfahrvorgangs zu einer unzureichenden oder instabilen Zirkulation in bestimmten Bündeln führen, was das Risiko von Temperaturunterschieden und thermischen Spannungen birgt. Moderne Konstruktionen greifen auf spezifische Regelungsstrategien und Verfahren zurück, um die Zirkulation innerhalb sicherer Grenzen zu halten.

Die Schlussfolgerung lautet nicht, dass eine Konfiguration der anderen stets überlegen ist, sondern dass das vorgesehene Betriebsprofil bereits in der Konzeptionsphase in die Entscheidung einfließen muss. Eine Auslegung für einen stabilen Betriebszustand, bei der anschließend mit häufigen Zyklen gearbeitet wird, kann zu Einschränkungen der Verfügbarkeit führen und den Verschleiß beschleunigen.

Die Verfügbarkeit von Platz ist eines der offensichtlichsten Kriterien, muss jedoch im Zusammenhang mit den baulichen und zugangsbezogenen Aspekten betrachtet werden.

Horizontale HRSG erfordern eine größere Ausdehnung in Längsrichtung. Diese Anordnung eignet sich gut, wenn die Gasturbine, der Abhitzekessel und die Dampfturbine in einer Linie angeordnet werden können und ausreichend Fläche für die Unterbringung des Kanals, der Module und der Wartungsbereiche vorhanden ist.

Vertikale HRSG-Anlagen reduzieren den Platzbedarf auf dem Werksgelände, verlagern die Anforderungen jedoch in die Höhe. Die Tragkonstruktion, die Zugangsplattformen und die Anordnung des Schornsteins gewinnen an Bedeutung und müssen bereits in den ersten Phasen geprüft werden, um zu vermeiden, dass der scheinbare Platzvorteil zu einer höheren Komplexität bei den Bauarbeiten oder der Wartung führt.

Daher reicht es nicht aus, lediglich die genutzte Fläche in Quadratmetern zu vergleichen. Bei der Bewertung müssen die gesamte Geometrie des Standorts, Höhenbeschränkungen, Zugänge, die Integration in bestehende Anlagen sowie der Umfang der erforderlichen Bauwerke berücksichtigt werden.

Die gewählte Konfiguration wird die Anlage noch lange nach der Inbetriebnahme maßgeblich beeinflussen. Ein HRSG ist jahrzehntelang in Betrieb und erfordert Inspektionen, Reinigungen, die Überprüfung von Schweißnähten sowie in bestimmten Fällen den Austausch von Rohren. Die Einfachheit, mit der diese Arbeiten durchgeführt werden können, wirkt sich unmittelbar auf die Dauer der Stillstände, die Arbeitssicherheit und die Wartungskosten aus.

Bei horizontalen HRSG sind die vertikalen Rohrbündel in der Regel über seitliche Plattformen und Luken im Kanal zugänglich. Diese Anordnung kann die Sichtprüfung, die Reinigung und bestimmte Reparaturarbeiten erleichtern, da sie den Zugang zu den Rohrbündeln von den Seiten her ermöglicht.

Bei vertikalen HRSG kann der Zugang zu horizontalen Rohrbündeln Eingriffe von unten oder oben sowie Arbeiten in unterschiedlichen Höhen oder in beengteren Räumen erfordern. Dies steht einer ordnungsgemäßen Wartung zwar nicht im Wege, erfordert jedoch eine sorgfältigere Planung von Arbeitsbühnen, Türen, Manövrierbereichen und Zugangsverfahren.

Die Barrierefreiheit sollte nicht erst am Ende des Projekts berücksichtigt werden. Sie muss bereits während der Planungsphase im Zusammenhang mit den tatsächlich zu erwartenden Arbeitsabläufen geprüft werden: Inspektion, Reinigung, Reparatur und Ausbau von Komponenten.

Kriterium

Gasdurchfluss

Rohrbündel

Übliche Verkehrsführung

Raum

Vorgang

Nebenverbrauch

Wartung

Horizontale Ausrichtung

Horizontaler Gasstrom

In der Regel vertikal

Natürlich

Stärkere Längsentwicklung

Geeignet für stabile Betriebszustände

Geringer, da keine Umwälzpumpen erforderlich sind

Der seitliche Zugang ist in der Regel direkter

Vertikale Ausrichtung

Aufsteigende Vertikale

In der Regel horizontal

Durch Pumpen erzwungen

Geringere Grundfläche und größere Höhe

Eine aktivere Durchflussregelung

Erhöht durch den Einsatz von Umwälzpumpen

Es kann erforderlich sein, Zugänge in unterschiedlichen Höhen oder in beengteren Bereichen zu schaffen

Unverbindlicher Vergleich. Die endgültige Konfiguration muss unter Berücksichtigung der Prozessbedingungen, des Betriebsprofils und der projektbezogenen Einschränkungen überprüft werden.

Die Entscheidung sollte bereits in den frühen Phasen der Planung getroffen werden, wenn es noch möglich ist, Prozess, Struktur, Bauarbeiten, Betrieb und Instandhaltung aufeinander abzustimmen. Es empfiehlt sich, zumindest die folgenden Faktoren zu prüfen:

• Vorgesehenes Betriebsprofil: Grundlastbetrieb, Teillastbetrieb, Häufigkeit der Start- und Stoppvorgänge sowie erforderliche Ansprechgeschwindigkeit.

• Bedingungen und Schwankungen der Abgase: Temperatur, Durchfluss und mit der Turbinenlast verbundene Veränderungen.

• Zirkulationsstrategie: Strömungsverhalten, Pumpenbedarf und Hilfsstromverbrauch.
• Verfügbarer Platz: Längsausdehnung, Höhenbeschränkungen und Integration in bestehende Anlagen.

• Der Umfang der Hoch- und Tiefbauarbeiten im Zusammenhang mit jeder Alternative.

• Zugänglichkeit für Inspektion, Reinigung, Reparatur und Austausch von Rohren.

• Auswirkungen auf Wartung, Verfügbarkeit und Gesamtkosten über die gesamte Lebensdauer.

Eine Entscheidung, die sich ausschließlich auf die verfügbare Aufstellfläche stützt, kann das Problem lediglich in eine andere Projektphase verlagern. Eine kompakte Konfiguration kann einen höheren Bedarf an Tragkonstruktion und Zugängen erfordern; eine Lösung mit weniger Zusatzgeräten erfordert möglicherweise eine sorgfältigere Inbetriebnahmestrategie. Das richtige Kriterium ist dasjenige, das Betrieb, Zuverlässigkeit, Wartung und Investitionsaufwand unter den tatsächlichen Anlagenbedingungen in Einklang bringt.

Es gibt keine allgemein beste HRSG-Konfiguration. Die horizontale und die vertikale Ausführung dienen unterschiedlichen Prioritäten und können zu einem zuverlässigen Ergebnis führen, wenn sie entsprechend dem Betriebsregime, den Aufstellungsbedingungen und der Wartungsstrategie ausgewählt und ausgelegt werden.

Die Entscheidung wirkt sich auf den Verkehrsfluss, den Nebenverbrauch, die Struktur, die Barrierefreiheit und das Reaktionsverhalten bei transienten Belastungen aus. Daher lassen sich ihre Auswirkungen kaum rückgängig machen, sobald die Fertigung und der Bau begonnen haben.

Die Analyse dieser Variablen bereits in der Konzeptphase ermöglicht es, Unsicherheiten zu verringern, spätere Mehrkosten zu vermeiden und eine HRSG zu definieren, die nicht nur mit dem Nennbetrieb, sondern auch mit der Art und Weise, wie die Anlage während ihrer gesamten Lebensdauer betrieben werden soll, kompatibel ist.

AITESA entwickelt und liefert HRSG-Kessel, die auf die Abgasbedingungen, den Dampfbedarf, die Betriebsbedingungen und die Auflagen des jeweiligen Standorts zugeschnitten sind. Die Festlegung der Konfiguration erfolgt auf der Grundlage des Gesamtprojekts: Prozess, Kreislauf, Bauweise, Steuerung, Wartung und Integration in die Anlage.

Wenn im Rahmen eines Projekts die Anschaffung einer neuen HRSG, eine Erweiterung oder die Modernisierung einer bestehenden Anlage geprüft wird, kann das technische Team von AITESA die Ausgangsbedingungen prüfen und dabei helfen, die für die Ziele hinsichtlich Betrieb, Verfügbarkeit und Lebensdauer am besten geeignete Lösung zu ermitteln.