AKTIV-NASSDAMPF-REINIGUNGS-VERFAHREN FÜR DAMPFTURBINEN

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Nassdampf-Verfahren für Dampfturbinen und eine Dampfturbine mit Nassdampf- Vorrichtung Es ist bekannt, dass Turbinen in Dampfkraftwerken dem Problem der Versalzung ihrer Beschaufelung unterliegen. Im Betrieb lagert sich ein Gemisch aus teilweise schwer löslichen Salzen auf den Schaufeloberflächen, insbesondere den Leitschaufel ^¬ oberflächen ab. Bei den Salzen handelt es sich zumeist um Natrium-, Aluminium- oder Silizium-Salze, um deren Oxide,

Chloride, Sulfate, Carbonate, Hydroxide sowie Phosphate. Wäh ^¬ rend dünne Schichten nur das Dampfströmungsverhalten leicht negativ beeinflussen können, wirken sich dickere Beläge bereits auf die Leistung der Turbine aus. Im fortgeschrittenen Betrieb der Turbine können derartig dicke Salzschichten auf den Schaufeloberflächen entstehen, dass diese den Strömungsquerschnitt der Turbine verringern. Ein Leistungsabfall um bis zu 4 % kann dann beobachtet werden. Die Ursache für die Versalzung einer Turbine muss im Einzelfall beurteilt werden, hängt jedoch in der Regel von der Verwendung eines Kesselwas ^¬ sers ab, das nicht der Norm entspricht, oder liegt an einer falschen Dosierung von Korrosionsschutzadditiven in das Kesselwasser. Auch die Dampfgängigkeit der eingesetzten Korrosi- onsschutzadditive kann sich negativ auf das Versalzungsver- halten auswirken. Daneben können auch die Betriebsparameter der Turbine eine Versalzung der Beschaufelung begünstigen.

Bisher konnte im fortgeschrittenen Fall einer Turbinenversal- zung nur noch auf eine mechanische Reinigung der betroffenen Oberflächen zurückgegriffen werden. Dazu musste bisher das

Turbinengehäuse geöffnet und die Turbine sogar teilweise de ^¬ montiert werden, um die betroffenen Bereiche erreichen zu können und dementsprechend wirkungsvoll mechanisch reinigen zu können. Eine derartige Reinigungsmaßnahme bedeutet eine längere Ausfallzeit der Turbine, gleichzeitig hohe Service ^¬ kosten und dementsprechend finanzielle Einbußen für den Be ^¬ treiber. Außerdem ist eine (teilweise) Demontage der Turbine fehleranfällig.

Ein alternativer Reinigungsprozess ist das Auskochen der Turbine (Condensate Cleaning) , bei dem die Turbine ebenfalls heruntergefahren werden muss, um diese entsprechend mit sie- dendem Wasser fluten zu können. Auch dieser Reinigungsprozess ist mit einer längeren Ausfallzeit nachteilig belegt, außer ^¬ dem ist diese Maßnahme nur für dünne Ablagerungen ausrei ^¬ chend . Unter dem Begriff Online Washing ist eine Nassdampfreinigung für Turbinen bekannt, bei der eine Turbinendemontage, zumin ^¬ dest in weniger fortgeschrittenen Fällen der Versalzung, vermieden werden kann. Dabei wird Nassdampf in die Turbine eingeströmt, der zumindest die wasserlöslichen Bestandteile der Salzverkrustung entfernt. Der Erfolg der Nassdampfreinigung hängt dabei also stark von der unterschiedlichen Zusammensetzung der Salzbeläge ab.

Die Nassdampfreinigung kann beispielsweise bei heruntergefah- rener Turbine vorgenommen werden, die ohne Last läuft, also in der kein Strom erzeugt wird, die sich aber noch dreht. Die Turbine ist dann schon leicht abgekühlt. Dieser Prozess der Nassdampfreinigung hat wiederum den Nachteil der Ausfallzeit, während der kein Strom erzeugt wird, außerdem ist er wenig effektiv und schwer lösliche Bestandteile können nach wie vor nur in einem mechanischen Reinigungsschritt entfernt werden.

Versucht man die Nassdampfreinigung bei laufender heißer Turbine vorzunehmen, wird festgestellt, dass der Tropfenschlag des Nassdampfes stark erosiv auf nicht versalzte Oberflächen oder bereits abgereinigte Stellen der Oberflächen wirkt und somit eine Schädigung der Turbine durch die Reinigung erfolgen würde. Daher müsste ein Nassdampfprozess der Turbine un- ter Last auf sehr geringe Reinigungsdauern begrenzt werden, beispielsweise auf maximal zwei Stunden, was wiederum bedeu ^¬ tet, dass in dieser Zeit durch die Nassdampfreinigung nur leicht wasserlösliche Bestandteile der Verkrustung entfernt werden können.

Die Einbringung von chemischen Reinigungsmitteln in die Turbine ist keine alternative Lösung, erstens, da diese mit hö ^¬ heren Kosten verbunden sind, außerdem, da auch hier eine vollständige Entfernung der Salzkrusten nicht in einem annehmbaren Zeitraum erfolgen könnte, da die Beläge sehr unterschiedliche Zusammensetzungen aufweisen. Des Weiteren müssten die eingebrachten Chemikalien wieder vollständig aus dem Turbinengehäuse entfernt werden können, was eine chemische Rei- nigung wiederum zu einer Reinigungslösung mit Ausfallzeit macht .

Folglich stellt es sich als technisch erforderlich dar, ein besseres Reinigungsverfahren anzugeben, welches die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile überwindet. Insbesonde ^¬ re soll die vorzuschlagende Lösung ein Reinigungsverfahren vorschlagen, welches tatsächlich online, also im Betrieb der Turbine, ausgeführt werden kann, und eine Ausfallzeit vermei ^¬ det. Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung eine verbesserte Vorrichtung dazu anzugeben.

Diese Aufgaben werden durch den Gegenstand der vorliegenden Erfindung, wie er in der Beschreibung und den Ansprüchen offenbart wird, gelöst.

Beschreibung der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Reinigung einer Dampfturbine umfasst einen Aktivierungsschritt, in dem eine Reini- gungsflüssigkeit mit einem Plasma beströmt wird, die so plas- ma-aktivierte Reinigungsflüssigkeit zu Aktiv-Nassdampf evapo ^¬ riert wird, und anschließend mit dem Aktiv-Nassdampf ein zu reinigender Gegenstand wie der Innenraum einer Dampfturbine beziehungsweise deren Beschaufelung angeströmt wird. Ein Vor ^¬ teil dieses Plasma-Verfahrens ist, dass damit der bisher sehr viel weniger effektive Nassdampfreinigungsprozess ersetzt werden kann und gleichzeitig auch weiterhin der Einsatz von Chemikalien, insbesondere von aggressiven Stoffen, vermieden wird. Dieses Verfahren zur Reinigung einer Dampfturbine kann daher als Aktiv-Nassdampf-Verfahren bezeichnet werden.

Unter einem Plasma ist dabei ein Teilchengemisch auf atomar- molekularer Ebene zu verstehen, dessen Bestandteile zumindest teilweise elektrisch geladene Teilchen, also Ionen und Elekt ^¬ ronen sind. Das bedeutet, dass ein Plasma freie Ladungsträger enthält . Dieses Aktiv-Nassdampf-Verfahren wird bevorzugt auf eine

Dampfturbine angewendet. Eine Dampfturbine besteht in der Re ^¬ gel aus einer schnell rotierenden Welle, die mit vielen Turbinen-Schaufeln bestückt ist. Diese rotierende Welle wird von Wasserdampf angeströmt und angetrieben. Das Aktiv-Nassdampf- Verfahren ist von besonderem Vorteil für die Reinigung der

Beschaufelung, also der Gesamtheit der Schaufeln einer Turbine. Eine zuvor neutrale bzw. milde Reinigungsflüssigkeit wie Wasser kann intrinsisch mit lösenden Inhaltsstoffen angereichert werden. Somit werden keine Chemikalien in den Turbinen- kreislauf eingebracht.

Die typischerweise auf Turbinenschaufeln gebildeten schwer löslichen Salzbeläge aus Natrium-, Aluminium- oder

Siliziumsalzen können durch den Aktiv-Nassdampf in eine lös- liehe Form überführt werden und somit aus dem Turbinenkreis ^¬ lauf entfernt werden. Bei den schwer löslichen Salzbelägen auf den Turbinenschaufeln handelt es sich zumeist um Oxide, Chloride, Sulfate, Hydroxide, Carbonate sowie Phosphate. Besonders bevorzugt ist die Ausführungsform der Erfindung in der als Reinigungsflüssigkeit Wasser verwendet wird. Insbe ^¬ sondere kann in dem Aktiv-Nassdampf-Verfahren als Reinigungs- flüssigkeit das Kesselwasser der Dampfturbine verwendet wer ^¬ den .

Besonders geeignet und verbreitet als Reinigungsmittel in der Chemie und Biologie ist deionisiertes Wasser, so genanntes demineralisiertes Wasser oder entsalztes Wasser, welches nicht die im normalen Quell- oder Leitungswasser vorkommenden Mineralien enthält und deshalb vor allem in technischen Anwendungen als Betriebsstoff häufig zum Einsatz kommt. Das Kesselwasser der Dampfturbine ist das Arbeitsmittel im Dampf ^¬ erzeuger, dessen Dampf die Turbine anströmt. In der Regel enthält dieses auch einen Anteil an Korrosionsschutzadditi ^¬ ven. Dieses Kesselwasser als Reinigungsmittel zu verwenden hat den Vorteil, nur einen Kreislauf zu bedienen und das Ak- tiv-Nassdampf-Verfahren direkt in den Betrieb einer Dampfturbine integrieren zu können.

Von Vorteil ist die Ausgestaltung der Erfindung in der das Aktiv-Nassdampf-Verfahren einen Aktivierungsschritt umfasst, in dem die Reinigungsflüssigkeit durch ein Atmosphärendruck- Plasma beströmt und aktiviert wird. Mit Atmosphärendruck- Plasma wird ein Plasma bezeichnet, welches in einem Druckbe ^¬ reich um den sogenannten Normaldruck, das heißt bei Atmosphärendruck existiert. Ein entscheidender technischer Vorteil des Atmosphärendruck-Plasmas ist, dass kein spezielles oder auf hohe Druckdifferenzen ausgelegtes Reaktionsgefäß, wie et ^¬ wa für Niederdruck-Plasmen oder Hochdruck-Plasmen, notwendig ist. Außerdem werden zur Erzeugung eines Atmosphärendruck- Plasmas nur geringe Stromdichten benötigt. Die Anregung des Plasmas geschieht in der Regel durch eine Wechselstromanre ^¬ gung durch niederfrequente Wechselströme, beispielsweise im Radiowellen- oder im Mikrowellenbereich . Der Vorteil besteht also in der sehr guten technischen Umsetzbarkeit des Atmo ^¬ sphärendruck-Plasmas. Dieses wird beispielsweise in einer Plasmadüse erzeugt.

Beispielsweise wird in dem Aktivierungsschritt des Aktiv- Nassdampf-Verfahrens ein Luftplasma erzeugt. Unter Luftplasma ist dabei ionisierte Luft zu verstehen. Die Plasmaerzeugungs ^¬ vorrichtung wird dafür mit Luft als Prozessgas versorgt. Als Luft wird das Gasgemisch der Erdatmosphäre bezeichnet, wel ^¬ ches zwei Hauptbestandteile nämlich Stickstoff, mit um die 78 Vol.-%, und Sauerstoff, mit um die 21 Vol.-%, aufweist. Dane ^¬ ben weist ein Luftgemisch noch weitere Komponenten wie beispielsweise Argon, Kohlenstoffdioxid und Spuren anderer Gase auf. Der Vorteil ein Luftplasma einzusetzen liegt beispiels ^¬ weise darin, dass Luft als Prozessgas sehr einfach und kos- tengünstig verfügbar ist. Außerdem können mit einem Luftplas ^¬ ma sehr schnelle Aktivierungen der Reinigungsflüssigkeit ge ^¬ währleistet werden: Bei der Beströmung von deionisiertem Wasser mit einem Luftplasma beispielsweise, kann dessen pH-Wert binnen 5 Sekunden auf ca. 4 und binnen 5 Minuten auf einen Wert unterhalb von 3 abgesenkt werden.

Alternativ kann ein Sauerstoffplasma zur Aktivierung der Reinigungsflüssigkeit eingesetzt werden bei dem entsprechend Sauerstoff als Prozessgas in die Plasmavorrichtung einge- bracht wird. Der Vorteil eines Sauerstoffplasmas liegt darin, dass der Aktiv-Nassdampf dann einen erhöhten Anteil an Wasserstoffperoxid (H2O2) aufweist.

Über die Wahl des Prozessgases für die Plasmaaktivierung der Reinigungsflüssigkeit sowie über dessen Konzentration kann die Reinigungsflüssigkeit auf die lösenden Beläge des zu rei ^¬ nigenden Gegenstandes angepasst werden. Denn auch ein zu niedriger pH-Wert kann wiederum nachteilig sein, wenn dadurch der Aktiv-Nassdampf zu aggressiv würde.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung kann der Aktiv-Nassdampf mit anderen Wasser- oder DampfStrömungen gemischt werden, um eine Anpassung des pH-Wertes zu erreichen. Dazu kann das aktivierte Wasser z.B. mit Hilfe einer Pumpe auf ein höheres Druckniveau gebracht werden. Als Pumpe kann eine kraftwerks ^¬ übliche Pumpe, wie etwa eine Kondensat- oder Speisewasserpum ^¬ pe eingesetzt werden. Beim Einsatz des Verfahren in einem Kraftwerk kann eine dort bereits vorhandene Pumpe oder alter- nativ eine separate Pumpe verwendet werden. Die Verdampfung kann durch einen Dampferzeuger eines Kraftwerks oder einen separaten Dampferzeuger erfolgen. In einer bevorzugten Ausgestaltung des Aktiv-Nassdampf- Verfahrens wird die Dauer des Aktivierungsschritts so ge ^¬ wählt, dass ein pH-Wert der Reinigungsflüssigkeit unter 6, insbesondere unter 5 erzielt wird. Beispielsweise kann der gewünschte pH-Wert der Reinigungsflüssigkeit auch unter 4, insbesondere unter 3 liegen. Ein Vorteil des sauren Aktiv- Nassdampfes liegt darin, die schwer löslichen Salzbeläge da ^¬ mit in eine lösliche Form überführen zu können.

Beispielsweise werden in dem Aktiv-Nassdampf-Verfahren durch die Anströmung mit Aktiv-Nassdampf Salzbeläge von der

Turbinenbeschaufelung zumindest teilweise abgelöst und die gelösten Bestandteile in einem Entsalzungsschritt wieder aus den Aktiv-Nassdampf entfernt. Bevorzugt erfolgt der Entsal ^¬ zungsschritt nach der Kondensation des Aktiv-Nassdampfes. Das Arbeitsmittel einer Dampfturbine, also insbesondere das so genannte Kesselwasser, wird dabei beispielsweise über einen Kondensator in einem Kreislauf geführt. So geschieht dies beispielsweise in einer Kondensationsturbine. Eine Entsalzung dieses Arbeitsmittels, welches während des Aktiv-Nassdampf- Verfahres eben der besagte Aktiv-Nassdampf ist, erfolgt be ^¬ vorzugt im Wärmetauscher. Das Kondensat kann dann nach der Entsalzung auch wieder dem Turbinenkreislauf zugeführt werden . Die Erfindungsgemäße Dampfturbine umfasst eine Aktiv- Nassdampf-Vorrichtung, welche eine Plasmaerzeugungsvorrichtung umfasst, die so angeordnet ist, dass eine Reinigungs ^¬ flüssigkeit mit dem Plasma beströmbar ist, außerdem ist ein Verdampfer umfasst, der so angeordnet ist, dass die plasmaak- tivierte Reinigungsflüssigkeit zu Aktiv-Nassdampf evapo ^¬ rierbar ist und es ist eine Einrichtung zur Anströmung der Dampfturbine umfasst, welche den Aktiv-Nassdampf in den In ^¬ nenraum der Dampfturbine bzw. deren Beschaufelung lenkt. Eine derartige Dampfturbine hat den Vorteil, mit einer inter ^¬ nen Reinigungsvorrichtung und deren versalzungsunterdrücken- der Waschtechnik den Wirkungsgrad der Dampfturbine dauerhaft hochzuhalten, unnötige Wartungsarbeiten langfristig zu vermeiden oder zumindest zu verzögern.

Zusätzlich kann die Dampfturbine mit einer Überwachungseinheit ausgestattet sein, welche beispielsweise die Dauer des Aktivierungsschrittes sowie die Aktivierungsparameter, das Prozessgas, dessen Konzentration sowie die Beströmungsdauer der Turbine, also auch den eigentlichen Reinigungsschritt kontrolliert . Zwei Beispiele einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden noch in exemplarischer Weise mit Bezug auf die Figuren 1 und 2 beschrieben:

Die Figur 1 zeigt ein Reservoir mit einer wässrigen Waschlö- sung 10, welche insbesondere das Waschwasser aus dem Kessel oder Hotwell des Kondensators ist. In dem gezeigten Reservoir erfolgt die beschriebene Aktivierungsvorbehandlung des Waschwassers 10 mit dem Plasma 12. Zur Erzeugung des Plasmas 12 wird bevorzugt eine Plasmadüse 20, auch Plasma-Jet genannt, eingesetzt. Damit wird typischerweise ein Atmosphärendruck- Plasma 12 erzeugt. Die Plasmadüse 20 weist dazu zumindest ei ^¬ nen Einlass für ein Prozessgas 11 auf, welches insbesondere Luft sein kann. Außerdem wird dieses Prozessgas 11 über einen konzentrischen ringförmigen Einlass in die Hauptkammer der Plasmadüse eingeströmt, in der das Plasma 12 erzeugt wird. Dieser zentrale Hohlraum der Plasmadüse 20 ist von einer Ringelektrode 24 umgeben welche über einen Dielektrikumsring 22 von den Gaseinlassen 21 isoliert ist. Auch von der äußeren Ringelektrode 24 isoliert ist die zentral angebrachte Stift- elektrode 23 die als Gegenelektrode fungiert. Die beiden

Elektroden 23, 24 sind an eine Wechselspannungsquelle 25 an ^¬ geschlossen, welche eine Wechselspannung im kV-Bereich an die beiden Elektroden 23, 24 anlegt. Im Betrieb dieser Wechsels- pannungsquelle 25 wird in dem Hohlraum der Plasmadüse 20 das Prozessgas 11 zu einem Plasma 12 angeregt. Dieses tritt aus dem Düsenkopf 26 aus und wird darüber direkt in das Kessel ^¬ wasser 10 eingeleitet.

In der Figur 2 ist die Plasmadüse 20 am Plasmaaustritt aus dem Düsenkopf 26 mit einem Hohlkörper 30 aus einem Sinterma ^¬ terial verbunden. Insbesondere weist der Hohlkörper 30 zumindest einen Teilabschnitt aus einem Sintermaterial auf. Durch die Poren des Sintermaterials geht das Plasma 12 in feinen Bläschen 31 in die Flüssigkeit 10 über. Durch die erhöhte Oberfläche ist eine bessere Lösung der aktiven Plasmaspezies in der Flüssigkeit 10 gewährleistet.