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Reparatur und Wartung von Gasturbinenanlagen

Auf dem Foto: Mittlere Reparatur. Orsha CHPP. (Inspektion des heißen Pfades)

Unter den gegenwärtigen Bedingungen begrenzter und teurer Energieträger ist es notwendig, die bestehenden Erzeugungskapazitäten ständig zu modernisieren und zu rekonstruieren. Niemand zweifelt an der Richtigkeit der Einführung von Gasturbinentechnologien, da der Wirkungsgrad der Kraftwerke mit der Einführung von Gasturbineneinheiten (GTU) erheblich steigt.

Nach der Inbetriebnahme der GTU steht der Eigentümer der Anlage vor der Frage der Wartung und Reparatur der Gasturbine. Die Unternehmen und Hersteller machen den Betreibern strenge Auflagen hinsichtlich der Einhaltung der Gasturbinen- und GTU-Wartungsvorschriften. Dies geschieht, um einen zuverlässigen Betrieb zu gewährleisten. Trotz der Tatsache, dass heute im Energiesystem der Russischen Föderation Gasturbinen verschiedener Hersteller (General Electric, Alstom, Mitsubishi, Siemens, Ansaldo); verschiedener Generationen, Klassen, mit unterschiedlichen Konstruktionen  von Brennkammern, Brennern, Turbinenrotor- und Statorschutzsystemen gegen Überhitzung betrieben werden, beträgt der durchschnittliche Zeitraum zwischen den abwechselnden Inspektionen 8000-12000 EOH (äquivalente Betriebsstunden). Daher sollte bei normalem Betrieb der GTU einmal in anderthalb Jahren für jedes GTU-Modell eine Inspektion durchgeführt werden.

GTU-Diagnose nach Häufigkeit

Je nach Häufigkeit und Umfang der Arbeiten werden die Inspektionen (Reparaturen) in folgende Typen unterteilt:

A-Inspektion

Abb. 1. Inspektion der Brennerkammer des GT13E2 mit einem Boroskop

A-Inspektion – Inspektion der Brennkammerteile (CI-Inspektion)). Sie umfasst die Beurteilung des allgemeinen Zustands der Brennkammerteile, des Heißgaswegs, des Verdichtereinlasses und der Verdichterschaufeln ohne Demontage der Turbine mit Hilfe einer speziellen Ausrüstung – dem Boroskop (in diesem Zusammenhang wird die A-Inspektion in der Anleitung als boroskopische Inspektion (BI – Boroscope Inspection) bezeichnet). Für die anschließende B- oder C-Inspektion ist der tatsächliche Arbeitsumfang zu bestimmen. Dazu gehören auch minimale Nachkalibrierungen und Anpassungen, falls erforderlich. Ergebnis: Ein Bericht über den Zustand des Motors, der Empfehlungen für den weiteren Betrieb und die Wartung enthält.

Bei der boroskopischen Inspektion muss der Motorblock nicht demontiert werden (nur der Brennkammerteil (CI+TP removal), (TP – Transition Piece). kann geöffnet werden). Der visuelle Zugang zum Schaufelapparat erfolgt über Boroskop-Luken im Turbinengehäuse, und für die Eintrittsleitschaufeln und die Turbinenendstufen erfolgt der Zugang in der Regel über Luken im Lufteintritts- bzw. Abgasdiffusorgehäuse.

B-Inspektion

Abbildung 2. Messung des Spiels der ersten Verdichterstufe durch den VNA. Alstom GT13E2

Die B-Inspektion – Inspektion des Heißgaswegs und der Brennkammer (HGP – Hot Gas Path Inspection) – umfasst bei verschiedenen GTU-Modellen einen unterschiedlichen Umfang. Sie kann die gleiche Art von Inspektionen wie die A-Inspektion umfassen, jedoch in einem etwas größeren Umfang (d. h. sie kann nur mit einem Boroskop durchgeführt werden). Bei anderen Modellen kann der Austausch einiger Teile des Heißkanals und der Brennkammer gemäß den Vorschriften vorgesehen sein.

In jedem Fall werden der Umfang der Arbeiten und die Notwendigkeit des Austauschs von Teilen bei der Inspektion festgelegt.

C-Inspektion

Abb. 3. Einbau des Alstom GT13E2 GTU-Rotors

C-Inspektion – Große Inspektion (MI – Major Inspection) – vollständige Demontage und Revision der Turbine, einschließlich des Verdichters. Sie umfasst die Inspektion aller internen Komponenten, der Schutz- und Regelungseinrichtungen sowie der Überwachungseinrichtungen der Gasturbineneinheit. Die Hauptteile werden nach der Demontage einer Sichtprüfung und gegebenenfalls einer zerstörungsfreien Prüfung unterzogen. Es werden geplante Arbeiten zum Austausch und zur Instandsetzung von Bauteilen durchgeführt (die zum Teil im Rahmen der Sichtprüfungen des Typs A und B, zum Teil gemäß den Vorschriften festgelegt werden).

Die Ausfallzeit für die Inspektion C kann länger sein als geplant, aber dieses Risiko kann durch eine angemessene Planung gemildert werden.

Es ist anzumerken, dass die bereits erwähnte Starrheit der Herstelleranforderungen an die Einhaltung der Routinewartung bei GTU darauf zurückzuführen ist, dass die genaue Ressource für den störungsfreien Betrieb der kritischsten Komponenten (wie Teile der Brennkammern, GTU-Turbinenschaufeln, Teile der Wärmedämmelemente und Beschichtungen) heute nicht berechnet werden kann. (Alle mathematischen Modelle, die bei der Konstruktion dieser GTU-Einheiten verwendet werden, weisen eine sehr große Anzahl von Toleranzen auf).

Wenn also der Hersteller den Austausch der Schaufel der ersten Stufe nach 40000 Stunden vorschreibt, bedeutet dies, dass sie auch dann ausgetauscht werden sollte, wenn keine kritischen Defekte vorliegen, da die Entwicklung der vorhandenen Schäden und das Verhalten des Materials während des weiteren Betriebs nicht modelliert werden können und nur mit Zustimmung des Eigentümers erlaubt werden können.

Die Mehrzahl der in der Russischen Föderation betriebenen GTUs verfügt in unterschiedlichem Ausmaß nicht über eine ausreichende technologische Dokumentation und spezielle Werkzeuge, um den gesamten typischen Umfang der GTU-Inspektionsarbeiten ohne Rückgriff auf die Produktionswerke vollständig durchzuführen. Es liegt im Interesse der Betreiber, in einer so wichtigen Frage wie der Wartung und Instandhaltung der Hauptausrüstung nicht in hohem Maße von den Herstellerwerken abhängig zu sein. In diesem Zusammenhang wird empfohlen, von den GTU-Lieferanten zu verlangen, dass sie alle erforderlichen Unterlagen und Spezialwerkzeuge zur Verfügung stellen. Dies gibt die Möglichkeit, ein Serviceunternehmen unabhängig zu wählen. Gegenwärtig ist die Auswahl für die meisten GTU-Besitzer erheblich eingeschränkt.

GTU-Reparatur und -Wartung

Die Hauptaufgabe besteht darin, einer Organisation, die GTU betreibt, die Möglichkeit zu geben, eine unabhängige Entscheidung über die Wartung und Reparatur der Ausrüstung zu treffen. Die Lieferung von Komponenten, Ersatzteilen, Verbrauchsmaterialien, notwendigen Werkzeugen und vor allem die Bereitstellung von hochqualifiziertem Personal für den Service – die Liste der Möglichkeiten, die die Betreiberorganisation für die Durchführung der laufenden Serviceaufgaben erhält. Das Unternehmen führt die Wartung und Reparatur von Gasturbinen in strikter Übereinstimmung mit den Herstellervorschriften durch. Es bietet sowohl ein komplettes Angebot an Arbeiten zur langfristigen Wartung und Reparatur von Gasturbinen und GTUs als auch deren einzelne Teile: Bereitstellung von Chefingenieuren, Außendienstmitarbeitern, Werkzeugen, Verbrauchsmaterialien Ersatzteilen usw.

Eine vollständige Reparaturdokumentation für GTU sollte unter anderem Folgendes enthalten:

  • eine detaillierte Beschreibung des technologischen Ablaufs und der Anforderungen an die Durchführung der notwendigen Arbeiten während der planmäßigen Inspektionen, die in den Vorschriften des Herstellers festgelegt sind, mit Angabe der Werkzeuge und Geräte, die für die einzelnen Phasen der Reparaturarbeiten und Messungen erforderlich sind (technischer Prozess, TI);
  • Kriterien für die Bewertung der Ressourcen aller GTU-Einheiten und -Teile sowie ihres Zustands und ihrer Betriebstauglichkeit (Kriterien für die Mängelprüfung, TI);
  • Knoten- und Montagezeichnungen von GTU-Einheiten und -Teilen sowie von komplexen montierten Vorrichtungen für die Reparatur;
  • vollständiger Satz von Messformularen, die bei planmäßigen Routineinspektionen von GTU (A, B, C usw.) auszufüllen sind, mit Beschreibung aller technischen Anforderungen des Herstellers an die gemessenen Parameter;
  • Listen der für die Durchführung der geplanten Wartungs- und Reparaturarbeiten erforderlichen Werkzeuge, Geräte und Verbrauchsmaterialien, die detailliert sein sollten (ohne Verwendung des Begriffs „Bausatz“ oder mit detaillierten Beschreibungen dieser „Bausätze“). Sie sollten Informationen enthalten, die eine eindeutige Identifizierung der in den Listen aufgeführten Gegenstände ermöglichen (Marktbezeichnung, kurze technische Merkmale, Herstellerfirma des Werkzeugs oder Materials);
  • Listen von Baugruppen und Teilen, die bei Wartungs- und Reparaturarbeiten routinemäßig zu ersetzen sind, sowie Listen von Ersatzteilen, die für die ständige Verfügbarkeit während des Betriebs empfohlen werden.

 

Reparatur von Schäden an Teilen der Gasturbineneinheit

Zu möglichen Defekten an GTU-Teilen und deren Beseitigung ist anzumerken, dass die Hauptursachen für Defekte an GTU-Teilen folgende sind: Hochtemperaturkorrosion, Zerstörung durch Vibration, thermische Verformungen, mechanische und erosive Abnutzung, Nichteinhaltung der Anforderungen an die Brennstoffaufbereitung. Die Art der Schäden, die durch die oben genannten Gründe verursacht werden, erlaubt es in den meisten Fällen, sie nur durch zerstörungsfreie Prüfmethoden zu erkennen und durch Schweißen zu beseitigen. Mehr Details über einige mögliche Schäden an GTU-Teilen:

Reparatur eines Risses im Leitapparat der Turbinendüse

Abb. 4. Riss in der Turbinenleitapparatur

Riss in der Turbinenleitapparatur (Abb. 4) – die Rissbildung wird durch thermische Aufheiz- und Abkühlzyklen verursacht. Die Rissgröße überschreitet die zulässigen Grenzen, und dieses Segment sollte unabhängig von den geplanten Inspektionsterminen so bald wie möglich ausgetauscht werden. Dieser Fehler kann durch Rissentfernung, anschließendes Schweißen, mechanische und thermische Behandlung und eine abschließende Wärmedämmschicht repariert werden. Das reparierte Segment kann dann für den Ersatz eines ähnlich beschädigten Segments verwendet werden;

Reparatur der Austrittskante der Verdichterschaufel

Abbildung 5. Beschädigung der Austrittskante einer Verdichterschaufel

Schäden an der Austrittskante einer Verdichterschaufel (Abb. 5) – treten häufig an Arbeitsschaufeln  der ersten Stufen von GTU-Verdichtern auf. Die Ursache für solche „Kerben“ ist das Eindringen von Fremdkörpern in den strömenden Teil. Spezifische Beschädigungen überschreiten nicht die zulässigen Grenzen und können bei der nächsten planmäßigen Inspektion durch manuelle mechanische Bearbeitung behoben werden;

Reparatur von Schaufeln der 1. Stufe einer Gasturbine

Abb. 6. Beschädigung der Schaufeln der 1. Stufe der Turbine (erosiver Verschleiß der Eintrittskante).

Schäden an den Schaufeln der 1. Stufe der Turbine (Abb. 6) – der Zustand der Arbeitsschaufeln auf dem Bild ist typisch für die Mehrzahl der Arbeitsschaufeln der 1. Stufen des GTU-Heißgaspfads, die vor der nächsten C-Inspektion bearbeitet und ausgetauscht werden. Dieser Zustand entspricht dem normalen Verschleiß und wird durch die kumulative Wirkung der oben genannten Ursachen verursacht;

Reparatur von Flammrohren

Abbildung 7. Beschädigung der Flammrohre. Abnutzung und Verformung

Beschädigung von Flammrohren (Abb. 7) – die Beschädigung (Schmelzen, Verformung) von Flammrohrstutzen im Bereich der Verbindung mit Querbrennerrohren deutet darauf hin, dass die zulässigen Abgastemperaturen in diesem Bereich überschritten wurden. Die Ursachen können unterschiedlich sein, aber wenn solche Mängel festgestellt werden, müssen sie so schnell wie möglich erkannt und beseitigt werden. Der konkrete Schaden liegt innerhalb der zulässigen Grenzen und kann behoben werden;

Reparatur von Brenneranlagen

Abbildung 8. Verschmutzung und Erosion der Brennstoffverteilungsöffnungen von Brenneranlagen

Verschmutzung und Erosion von Brennereinrichtungen (Abb. 8) – der abgebildete Zustand ist typisch für die Mehrzahl der GTU-Brennereinrichtungen, die vor der nächsten B-Inspektion instandgesetzt werden. Die Verschmutzung der Brennstoffverteilerdüsen hängt mit der schlechten Qualität der Brenngasaufbereitung zusammen. Die Verschmutzung führt zu einer Ungleichmäßigkeit des Temperaturfeldes am Turbinenaustritt und infolgedessen zu einer Beschädigung der Turbinenschaufeln.

Verschmutzung und Erosion der Verdichterschaufeln der 1. Stufe

Abb. 9. Verschmutzung und Erosion der Verdichterschaufeln der 1.

Verschmutzung und Erosion der Verdichterschaufeln der 1. Stufe (Abb. 9) – der Zustand der Arbeitsschaufeln  auf dem Bild ist typisch für die Mehrheit der Arbeitsschaufeln der ersten Stufen von GTU-Verdichtern, die vor der nächsten C-Inspektion bearbeitet werden. Spezifische Verunreinigungen werden als signifikant eingestuft, die bei der manuellen Inspektion mit nicht-abrasivem Material entfernt wurden. Ein solcher Verschmutzungsgrad deutet auf einen unzureichenden Betrieb der GHE-Systeme hin.

Wartung und Reparatur von Gasturbinenanlagen heute

Die Wartung und Reparatur von Gasturbinen und GTUs, die von ausländischen Unternehmen durchgeführt wird, verursacht heute erhebliche Devisenkosten für das Energiesystem. So belaufen sich die Kosten für die Dienstleistungen von Fachleuten aus Produktionsbetrieben und großen ausländischen Serviceunternehmen auf eine hohe Summe in US-Dollar pro Arbeitstag. Gleichzeitig ist zu beachten, dass sich die Kosten für die Reparatur von Gasturbinen und Gasturbinenanlagen aus zwei Hauptkomponenten zusammensetzen: den Kosten für Ersatzteile, Verbrauchsmaterialien und der Vergütung für die Dienstleistungen der Reparaturtechniker.

Die Kosten für Ersatzteile machen etwa 80-90 Prozent der gesamten Reparatur- und Wartungskosten aus. Um den zuverlässigen Betrieb von High-Tech-Anlagen, wie z. B. Gasturbinen, zu gewährleisten und die Einhaltung aller vom Hersteller bei der Auslieferung angegebenen Eigenschaften zu garantieren, ist es notwendig, nurо Originalersatzteile von den Herstellern dieser Anlagen zu kaufen.

Der hemmende Faktor für die Entwicklung der Wartung und Reparatur von Gasturbinen und GTU ist das Fehlen einer einheitlichen Politik in der Branche, die auf das Erreichen des oben genannten gemeinsamen Ziels ausgerichtet ist. Es gibt keine einheitliche Position zur Frage der GTU-Wartung und -Reparaturorganisation. Jeder Anlageneigentümer löst die Frage der Wartung und Instandhaltung unabhängig, manchmal in einer Weise, die es erlaubt, nur kurzfristige Aufgaben zu erfüllen, was zu Lasten des langfristigen Nutzens geht.

Für jede Organisation, die GTU betreibt, ist die Wahl des Unternehmens, das die Reparaturen durchführen soll, von größter Bedeutung.