Neuer Pumpenantrieb im Einsatz: Großturbinen-Rotor in der Schwebe

Technik

Kraftwerk - Siemens und Vattenfall entwickelten eine magnetgelagerte Dampfturbine, die im Kraftwerk Jänschwalde erstmals zum Einsatz kommt. Hier dient sie als Speisewasserpumpenantrieb. Das Aggregat mit 10MW Leistung ist wesentlich brandsicherer als konventionelle Turbinen mit ölgeschmierten Lagern.

27. Oktober 2015

Im Turbinensaal des Blockes F zeigt sich das neue technologische Glanzstück im Großkraftwerk Jänschwalde zunächst optisch von bescheidener Größe: »Dort unten läuft die SST-600, und zwar, wie alle anderen in den letzten Jahren ersetzten Speisewasserturbinen, zu unserer vollsten Zufriedenheit«, sagt Hubertus Altmann und zeigt auf eine eher unscheinbare Baugruppe, die einen der Kessel mit Frischwasser versorgt.

 

Doch der Chef der Vattenfall Kraftwerke in Deutschland meint damit nicht nur, dass die Turbine ebenso zuverlässig wie die elf anderen Speisewasser-Pumpenantriebe des 3.000-MW-Kraftwerkes läuft. Sie ist die erste Turbine aus dem Görlitzer Siemens-Werk in einem Kraftwerk, die nicht über ein Öllager geschmiert werden muss.

 

Lager laufen komplett ölfrei

Vielmehr wird der Rotor über ein Magnetfeld in der Schwebe gehalten. Das seit Menschheitsgedenken bestehende klassische Problem der Mechanik, die Reibung, ist damit überwunden, die beiden Lager laufen komplett ölfrei. Damit entfallen der Verschleiß, der Ölverbrauch, notwendige Wartungen und – im Kraftwerk besonders wichtig – auch die Gefahr von Bränden und anderen Havarien.

Entwickelt wurde die neue Turbine von Siemens, wobei seit Langem klar war, dass Vattenfall das 10-MW-Aggregat in Jänschwalde einsetzen wird. Denn hier am Block F wird schon seit einigen Jahren experimentiert und neueste Technologie eingesetzt. Auch das neue Zündsystem mit den Plasma-Lanzen, mit dem das Hochfahren des Blocks mit Braunkohlestaub anstelle von Öl möglich ist, ist hier im Einsatz ebenso wie das Stützfeuer auf Trockenbraunkohle-Basis, das deutlich niedrigere Mindestleistungen ermöglicht.

Die Münchner kooperierten aber nicht nur mit den Schweden, die sich nunmehr aus der deutschen Braunkohletechnologie verabschieden, sondern auch mit der Hochschule Zittau-Görlitz. Hier wurden die technischen Versuche mehrere Jahre im Pilotmaßstab betrieben. Allerdings haben die Partner die magnetgelagerte Turbine weder komplett neu entwickelt noch ausschließlich für den Kraftwerksbetrieb, wie Detlef Haje, Siemens-Chefingenieur der Power Generation Division, erklärt. Denn die Technologie ermöglicht nicht nur eine höhere Effizienz, sondern weist vor allem sicherheitstechnische Vorteile auf.

Völlig neues Fanglager entwickelt

Magnetgelagerte Antriebswellen sind heute durchaus Stand der Technik. So konnten auch die Siemens-Ingenieure einen großen Teil der Komponenten aus dem Regal entnehmen: Die Turbine selbst ist weitgehend baugleich mit den konventionellen SST-600, und auch die Magnetführung eines Rotors ist bereits erprobte Technologie – allerdings nicht im Großturbinenbau. Denn dort geht es nicht nur um besonders große Massen und Drehzahlen, auch die Anforderungen an die Sicherheit sind besonders hoch.

Seit 2008 lief die Entwicklung für Magnet- und Fanglager, 2012 wurde der Versuchsstand im Technikum der Hochschule in Betrieb genommen. »Unsere größte Herausforderung war es daher, ein völlig neues Fanglager für den störungsfreien Betrieb bei einem Stromausfall zu konstruieren und zu erproben, das auch bei Drehzahlen von 5.700 Umdrehungen pro Minute den 2,5 Tonnen schweren Rotor sicher auslaufen lassen kann«, berichtet Haje.

 

Auch größere Turbinen möglich

Das sei nicht zuletzt mit Hilfe der Hochschulpartner gelungen. »Wir haben dadurch zuverlässige Testergebnisse, sodass wir auch an größere Turbinen mit bis zu 30MW oder 40MW und Rotorgewichten von bis zu zehn Tonnen herangehen können und dort ebenfalls solche Lager möglich sein werden«, gibt sich der Chefingenieur zuversichtlich. Diese Turbinen hätten ein sehr breites Einsatzspektrum, sie könnten beispielsweise auch in der chemischen Industrie verwendet werden. »Wir sind zwar jetzt unmittelbar nach der Einführung vom Preis noch deutlich teurer als konventionelle Aggregate, doch sehen wir dort erstens noch Potenzial zur Kostenreduzierung, zum anderen sind die Betriebskosten und die Gefahren deutlich geringer.«

Denn das Problem beim Einsatz von Turbinen – die hohe Betriebstemperatur des durchströmenden Dampfes von oft über 540°C bei Drücken von 36bar, diese Werte werden bei Vattenfall für die Speisewasserturbinen genannt – besteht vor allem im Havariefall: Die kleinste Leckage kann zur Entzündung führen. Durch die 5 bis 6m³ Schmieröl, die für die Lager einer einzigen Speisewasserpumpe benötigt werden, entsteht damit theoretisch eine hohe Brandgefahr.

Weniger Versorgungsleitungen

Damit relativiert sich, so Detlef Haje, auch der deutlich höhere Preis für das Magnetlager, den er aber angesichts noch ausstehender Serienproduktion nur sehr vage andeuten will: Die Stillstandszeiten bei den sonst anstehenden kürzeren Wartungsintervallen müssten ebenso gegengerechnet werden wie das einfachere Havarie-Management. »Sicherheit kann man gar nicht hoch genug bewerten«, sagt der Experte.

Das Fanglager, das immerhin eine extrem schnell rotierende Masse von 10t Gewicht verkraften muss, funktioniere zuverlässig und könne sogar mehrmals genutzt werden – obwohl der Totalausfall der Stromversorgung dieses Kraftwerksteils ohnehin sehr unwahrscheinlich ist. Denn zusätzlich existieren noch eine Notstromversorgung über eine zweite Leitung und ein Speicherpuffer. Zudem benötigt die neue Turbine deutlich weniger Versorgungsleitungen, was die Installation vereinfacht.

 

Ein Prozent mehr Wirkungsgrad

Der Rotor der SST-600 läuft in der Magnethalterung extrem ruhig. Die Toleranz von der Idealachse liegt bei deutlich unter 50 Mikrometer, die Magneten erreichen das bei einer Leistungsaufnahme von weniger als 10kW für alle drei Lager – ein Beleg für die hohe Effizienz der Technologie, die Reibung vermeidet. Das ermöglicht auch die Kühlung mit komprimierter Luft, die sich lediglich auf maximal 40°C erwärmt, wie Haje versichert. Insgesamt komme die Turbine auf einen um rund 1% gesteigerten Wirkungsgrad.

Bislang allerdings hält sich das Interesse von Kunden an der magnetgelagerten Turbine noch deutlich in Grenzen. Obwohl das Aggregat natürlich bereits während seiner Entwicklung und Erprobung von Siemens bereits potenziellen Kunden vorgestellt wurde – zuletzt auch auf Fachmessen. Und das liegt nicht nur am derzeitigen Investitionsstau im deutschen Kraftwerkspark – Siemens hatte ja selbst vor allem sicherheitsrelevante Bereiche wie Großraffinerien oder auch Offshore-Plattformen genannt.

Konkrete weitere Bestellungen lagen beim Redaktionstermin im Sommer noch nicht vor, aber das werde sich mit dem praktischen Einsatz im Kraftwerk Jänschwalde sicher bald ändern. Auch in welchem Siemenswerk die Turbine produziert werden soll, ist derzeit noch offen, Görlitz ist dabei nur eines von mehreren möglichen Werken. Denn der Turbinentyp bestimmt den Fertigungsstandort, das Lager folgt dieser Entscheidung.

 

Manfred Schulze

 

Erschienen in Ausgabe: 09/2015