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Druckstoßberechnung

Druckstoßberechnung

Vermeidung von Schäden durch Druckstoßberechnung Strukturmechanische Analysen und Rohrleitungs-, Halterungs- und Armaturenauslegung

Die Möglichkeit zur Vermeidung von überhöhten Neubaukosten und Schäden durch Druckstöße an Rohrleitungsanlagen und Komponenten durch die perfekte Auslegung wird noch nicht ausreichend genutzt.

In der Vergangenheit wurden vor allem Hauptkühlwasser- und Frischdampfsysteme einer dynamischen Druckstoßberechnung unterzogen. In den letzten Jahren hat Envi Con jedoch beobachtet, dass der Lastfall Druckstoß in weiteren Systemen genauer betrachtet werden muss, da immer wieder Schäden durch unzureichend oder falsch ausgelegte Armaturen und Halterungen bei speziellen Betriebszuständen beobachtet worden sind. Hinzu kommt, dass in Neubauprojekten durch Einbeziehung von dynamischen Druckstoßberechnungen eine Kosten-Optimierung erreicht werden kann. 

Für Betreiber sind die Fragen von Interesse, wie sich Schäden in Bestandsanlagen vermeiden lassen und kostengünstige Systeme in Neubauprojekten ermöglicht werden.

Dazu sind zu betrachten:

  • Auswirkungen von Umschaltvorgängen und Ausfall von Pumpen im Speisewassersystem
  • Auswirkungen von Turbinenabschaltung auf die Rückschlagklappen in Anzapfdampfleitungen

Bestandsanlagen:

Die beiden o.g. Bereiche sind in der Vergangenheit in den seltensten Fällen bei der Planung und Druckstoßberechnung von Kraftwerksanlagen mit einbezogen bzw. nicht korrekt berechnet worden.
In diesen Systemen der Bestandsanlagen könnten, wie unsere Erfahrung zeigt, bereits nicht detektierte Schäden vorhanden sein, die ohne Gegenmaßnahmen mittelfristig zu einem Reparaturbedarf führen.

Neubauprojekte:

In Neubauprojekten führt eine Auslegung mit dynamischer Druckstoßberechnung zu einer genaueren Abbildung der Realität und damit zur optimalen Auslegung. Dies ermöglicht ein kostengünstigeres Halterungskonzept ohne eine unnötige Überdimensionierung zur Erlangung der erforderlichen Sicherheit.


Erkenntnisse aus der bisherigen Überprüfung von Speisewassersystemen

Die Auswirkungen und Risiken aufgrund der hohen Betriebsdrücke im Speisewassersystem bzw. Kessel, um bestmögliche Leistung und optimale Wirkungsgrade zu erzielen, sind bei der in den letzten Jahren als Stand der Technik zu bezeichnenden Auslegung nicht ausreichend betrachtet worden.

Falls Last- und Spannungsüberschreitungen festgestellt werden, sind die klassischen Methoden (Joukowsky-Stoß oder dynamische Berechnung ohne Fluid-Struktur-Wechselwirkung „FSI“) zu wenig präzise und führen zu kostspieligen Handlungsoptionen. Eine Einbeziehung der FSI bietet Ihnen optimierte und damit wirtschaftlichere Lösungsansätze.

Wir empfehlen Ihr System mit einer dynamischen Druckstoßberechnung unter Einbeziehung der (FSI) zu überprüfen. Ziel ist zum einen auszuschließen, dass eine Gefahr für Ihr Betriebspersonal und Ihre Anlage besteht und zum anderen konkrete Handlungsoptionen zu nennen, um Ihr System ausreichend sicher für den Lastfall „Druckstoß“ auszulegen.

Bei unseren Überprüfungen diverser im Betrieb befindlicher Speisewassersysteme stellte sich folgendes heraus:

  • Lastfall Druckstoß (Pumpenausfall) bei Auslegung nicht ausreichend und teilweise falsch betrachtet
  • Teilweise schwerwiegende Lastüberschreitungen an Halterungen, Komponenten und Rohrleitungen
  • In einigen Kraftwerksanlagen sind bereits Schäden entstanden
  • Plastische Verformungen an Bauteilen die zu kostenintensiven Schädigungen und Instandhaltungsmaßnahmen führen kann

Um gezielt die problematischen Stellen zu identifizieren, können wir Sie mit unserem Know-how und unseren fluiddynamischen und strukturmechanischen Berechnungsmethoden unterstützen und Abstellmaßnahmen erarbeiten bzw. Handlungsoptionen geben.


ec-flow®

ist ein von Envi Con entwickeltes Fluidprogramm zur Berechnung von Rohrleitungssystemen beliebiger Konstellation. Das Programm berechnet Druckstoßlasten auf Grund von Umschaltvorgängen von Armaturen, Pumpenausfällen und Kondensationsschlägen. Des Weiteren können Druckverluste und Massenvertrimmungen in komplexen Rohrleitungssystemen ermittelt werden.

Es können Berechnungen für diverse Fluide durchgeführt werden:

  • Wasser (flüssig, dampfförmig)
  • Öle
  • Gase

Ein großer Vorteil von ec-flow besteht darin, dass für jede Berechnung individuelle Anpassungen getätigt werden. Es erfolgt eine spezielle Modellierung von Dampferzeugern, Kühltürmen, Becken, Rückschlagklappen und Sicherheitsventilen.

Ein weiteres wichtiges Merkmal des Envi Con Berechnungsprogramms ist ein Modul zur Berücksichtigung der Fluid-Struktur-Wechselwirkung (FSI = Fluid-Structure-Interaction).

Bei der FSI wird die Bewegung der Struktur mit der Bewegung des Fluides verknüpft und deren wechselseitige Beeinflussung berücksichtigt, das bedeutet, dass ec-flow (berechnet die Bewegung des Fluides) und das Strukturprogramm ROHR2stoss (berechnet die Bewegung der Struktur/Rohrleitungen) sequentiell parallel laufen. Dabei holt ein spezielles Interfaceprogramm für jeden Zeitschritt die aktuellen Fluidkräfte von ec-flow und liefert die von ROHR2stoss aktuell berechneten Strukturbeschleunigungen zurück. Die Berücksichtigung der FSI verbessert die Genauigkeit der Fluidanalyse erheblich!

Die Amplituden klingen Aufgrund der Impulsaufteilung zwischen Fluid und der Rohrleitungsstruktur in der Realität schneller ab (siehe Bilder). Die FSI hat deshalb signifikanten Einfluss auf das Druckwellenspektrum und reduziert die maximalen Fluidkräfte.

Das nachfolgende Beispiel einer Fluidanalyse im Speisewasser-System zeigt dies:

Nach unseren Erfahrungen mit einigen der 2012 bis 2014 neu in Betrieb gegangenen Kohle-Blöcken führte die klassische Druckstoßanalyse ohne Berücksichtigung der FSI (was heute noch dem allgemeinen Stand der Technik entspricht) zu erheblichen Überschreitungen bei den Bauanschlusslasten, bzw. an Pumpen-und Vorwärmer-Stutzen, da eine fluiddynamische Analyse in Speisewassersystemen häufig nicht durchgeführt wurde. Dies ist nachteilig, da ungenau ermittelte Lasten zu kostenintensiven Überdimensionierungen von Bauteilen oder zu unnötig aufwändigen Halterungssystemen führen.

Folgende Lastfälle sind üblicherweise zu betrachten:

  • Ausfall beider Elektro-Speisewasserpumpen (2x50%) gleichzeitig oder einer Turbo-Speiswasserpumpe
  • Ausfall einer Elektro-Speisewasserpumpen (2x50%), die Zweite läuft weiter
  • Umschaltvorgang des HD-Vorwärmerschutzes.

Ergeben sich bei der klassischen Druckstoßanalyse Überlastungen des Systems in der strukturdynamischen Berechnung, wird die Berechnung durch Einsatz der FSI verfeinert und der strukturdynamische Teil der Berechnung wiederholt.

Die Spannungsausnutzung aufgrund gelegentlich wirkender oder außergewöhnlicher Lasten (gemäß DIN 13480-3, der Lastfall S2) ohne FSI ist für einen Lastfall „Ausfall Turbo-Speisewasserpumpe, HDVW umführt“ in Abbildung 1 dargestellt. Die maximale Ausnutzung beträgt ohne FSI 109,9%. Mit FSI sinkt die Ausnutzung an dieser Stelle unter 100%. (siehe Abbildung 2).

Bei der Nachrechnung einer Bestandsanlage müssten bei der Berechnung ohne FSI nach dem vorgenannten Beispiel die Halterungen kostenintensiv ertüchtigt werden. Wohingegen nach der Berechnung mit FSI keine weiteren Maßnahmen notwendig sind.

Werden Spannungsüberschreitungen im vorhandenen Halterungskonzept mit der FSI Berechnung nachgewiesen muss gehandelt werden. Envi Con ist in der Lage Handlungsoptionen bezüglich einer kostenoptimierten Ertüchtigung des Halterungskonzeptes zu geben. Sollte eine Ertüchtigung nicht möglich sein, Bietet Ihnen Envi Con Ihnen durch die vorhandene Expertise zudem Lösungsmöglichkeiten an, die mit renommierten Komponentenherstellern entwickelt wurden. Bei einem Neubauprojekt kann bei der Dimensionierung des Halterungskonzeptes mit FSI ein möglichst schlankes und damit günstigeres Haltungskonzept entwickelt werden.

Abbildung 1: Max. Spannungsausnutzung S2 ohne FSI

Abbildung 2: Max. Spannungsausnutzung S2 mit FSI

Ebenfalls sollten die Anzapfungen an Mittel- und Niederdruckturbine bei großen konventionellen Wärmekraftwerken generell genauer betrachtet werden. Aufgrund der in den letzten Jahren gestiegenen Betriebsparameter kann es hier zu Schäden an den Rückschlagklappen in den Anzapfleitungen kommen. Die Rückschlagklappen werden eingebaut um beim Turbinen-Schnellschluss eine Rückströmung in die Turbine zu verhindern. Der Schließvorgang erfolgt in „fail safe“ Qualität, deshalb sind zwei Klappen in Serie geschaltet, davon eine in der Regel mit Hydraulikantrieb, angesteuert vom Turbinenschutz.

Ziel der Druckstoßberechnung ist es:

  • Die tatsächlichen Rohrleitungsbelastungen bestmöglich zu ermitteln
  • Die maximalen Geschwindigkeiten und Beschleunigungen an Rückschlagklappen auszugeben

Durch den Turbinen-Schnellschluss sinkt der Druck vor der Klappe (in der Turbine) schnell ab, während häufig der Druck nach der Klappe (Bsp.: Druck des Speisewasserbehälters) im Beobachtungszeit nahezu konstant bleibt. Dadurch schließen die Klappen sehr schnell (in bis zu 200ms).

Häufig sind die Klappen in den Anzapfleitungen für derartig hohe Geschwindigkeiten und Beschleunigungen nicht ausgelegt und können deshalb beschädigt werden. Ferner können als Folge davon Undichtigkeiten auftreten (welche auch schon mehrfach beobachtet worden sind).

Sofern Beschädigungen bzw. Undichtigkeiten an Rückschlagklappen in Anzapfleitungen entstanden sind, kann Envi Con durch eine Berechnung ermitteln, ob die Ursache an der hohen Geschwindigkeit und Beschleunigung liegt, wofür die derzeitig eingebaute Klappe eventuell nicht ausgelegt ist.
In Neubauprojekten kann mit einer vorherigen rechnerischen Überprüfung zuverlässig eine geeignete Klappe gewählt werden.

Für weitere Auskünfte und spezielle Fragen oder tiefergreifende Informationen stehen wir Ihnen jederzeit gerne mit unserem spezialisierten Experten zur Verfügung.

Kontakt

Rainer Teichgräber

Rainer Teichgräber

Leiter Vertrieb

Telefon: +49 911 48089-143
Telefax: +49 911 48089-129

Auswirkungen von Umschaltvorgängen und Ausfall von Pumpen im Speisewassersystemen

- Schäden an Halterungen
- Nachrechnung mit ec-flow

Vorteile von ec-flow

- Eigenentwicklung
- Eingabe verschiedener Fluide
- Individuelle Anpassungen im Programm möglich FSI (Fluidstruktur Wechselwirkung
- Berücksichtigung der Strukturbewegung

Einfluss der FSI anhand eines Beispiels

Ohne und mit FSI
- Amplituden der Fluidkräfte klingen in der Realität schneller ab