Wenn’s hoch hergeht

In die Höhe schnellen kann der Druck ganz schnell in Branchen wie Öl und Gas, Verfahrenstechnik, Chemie und Pharmazie. Mit ihm umgehen können Hochdruckventile. Sie tragen auch zum Gelingen der Energiewende bei: Wenn Windkraft und Sonnenstrahlung stocken, wird ein Brückenbauer benötigt – wie beispielsweise Gas- und Dampfkraftwerke (GuD). Um die Energielücken zu füllen, benötigen die Anlagen robuste und leistungsfähige Hochdruckventile.

Flexibilität genießt bei GuD-Anlagen eine hohe Priorität. „Sie sind aufgrund ihrer Effizienz und ihrer Fähigkeit, schnell auf Lastwechsel zu reagieren, besonders geeignet für den Einsatz in einer durch den zunehmenden Anteil an regenerativen Energien geprägten Stromerzeugung“, erklärt Axel Mücher, Inhaber und Geschäftsführender Gesellschafter von Schroeder Valves. Dort müssen sie als wetterunabhängige Erzeuger die durch wechselnde Wind- und Wetterverhältnisse entstehenden Lastschwankungen im Stromnetz ausgleichen.

Mindestmengenventil stark gefordert
„Die Kesselspeisepumpe ist eines der Herzstücke dieser GuD-Anlagen“, erläutert Axel Mücher. Sie stellt das Wasser für den Dampfkreislauf der Anlage zur Verfügung und bringt es vor dem Verdampfen auf einen Druck von ca. 200 bis 250 bar. Da sie aufgrund der Anlagenfahrweise bei stark wechselnden Lastzuständen häufig im Teillastbereich arbeiten muss, „ist auch das Mindestmengenventil stark gefordert. Es muss in diesem Teillastbetrieb ständig Fördermedien über den Bypass abführen, um die Pumpe im stabilen Betriebsbereich zu halten und gleichzeitig den Pumpendruck von 200 bis 250 bar wieder auf Werte nahe dem Umgebungsdruck reduzieren“, so Mücher. Speziell um diesen verschleißintensiven Betrieb dauerhaft bewerkstelligen zu können, entwickelt Schroeder Valves passende Ventile.

Einiges spricht für den Einsatz von GuD-Kraftwerken – schon aus wirtschaftlichen Gründen. Wegen des relativ niedrigen Erdgaspreises sind GuD-Kraftwerke für die Erzeugung des zunehmenden Energiebedarfs in industriellen Schwellenländern attraktiv. GuD-Anlagen würden daher „derzeit in großen Stückzahlen weltweit gebaut“, sagt Mücher.

GuD-Anlage für Malaysia
Die zügig voranschreitende Industrialisierung des aufstrebenden Schwellenlandes wirkt sich auf den Strombedarf aus: Jahr für Jahr steigt dieser um durchschnittlich rund vier Prozent. Um mit dem Stromhunger seiner 31 Millionen Einwohner und der wachsenden Zahl an Industrieanlagen Schritt halten zu können, investiert Malaysia in den Bau neuer und effizienter Kraftwerke.

Das Gas- und Dampfturbinenkraftwerk Prai ist in der Stadt Seberang Perai in der Region Penang in Betrieb: Mit einer Leistung von rund einem Gigawatt und einem Wirkungsgrad von über 60 Prozent ist es laut Angaben des Betreibers das leistungsstärkste und effizienteste gasbefeuerte Kraftwerk Südostasiens. Es erzeugt etwa sieben Prozent der Energiesumme Malaysias. Betreiber der Anlage ist Tenaga Northern Bhd. (TNBP), eine 100-prozentige Tochter des Energieversorgers Tenaga Nasional Berhad.

Hochdruckventile schützen Pumpen
Das Siemens 50-Hz-H-Class Kraftwerk in Malaysia umfasst zwei sogenannte Power Trains, bestehend aus jeweils einer hochmodernen Gasturbine, einem wassergekühlten Generator sowie einer Dampfturbine und Hilfssystemen. Zwei Einheiten mit jeweils drei Zentrifugalpumpen des koreanischen Pumpenhersteller Hyosung Goodspring sind hier im Einsatz. Den Schutz dieser Pumpen gewährleisten sechs Hochdruckventile von Schroeder Valves. Die Ventile hielten den höchsten Drücken stand, um die Pumpen in dem malaysischen Kraftwerkskomplex vor Schäden zu schützen, wie sie durch Unterschreitung der Mindestmenge auftreten könnten, so der Unternehmensinhaber Axel Mücher. Das Design des Freilaufrückschlagventils stelle sicher, dass bei sehr stark schwankenden Lastfällen der Pumpe und lange andauerndem Betrieb in extremen Teillastzuständen Pumpen und Anlagen sicher geschützt seien. „Dies wird durch eine spezielle vollautomatische Mindestmengensteuerung erreicht, die eine modulierend angepasste Mindestmengenfreigabe gewährleistet.“

GuD-Kraftwerke gewinnen an Bedeutung
Auch der staatliche Stromversorger Electricity Generating Autority of Thailand orderte ein GuD-Kraftwerk. 2019 soll das Kraftwerk etwa 40 Kilometer südlich von Bangkok mit einer installierten Gesamtleistung von 1.200 Megawatt rund 1,5 Millionen thailändische Haushalte mit Strom versorgen. Siemens errichtet das Kraftwerk in der Einwellenkonfiguration. „Bei dieser Bauweise werden die Kernkomponenten – Gasturbine, Generator und Dampfturbine – durch eine einzelne Antriebswelle miteinander verbunden“, erläutert Siemens. Diese Anlagen würden sich daher durch einen hohen Wirkungsgrad, kurze Anlaufzeiten und durch ihre Flexibilität gegenüber raschen Lastwechseln auszeichnen. Thailand sei auf den Import von Flüssiggas angewiesen und deshalb gewännen dort moderne, hocheffiziente GuD-Kraftwerke an Bedeutung.

GuD-Anlagen erfreuen sich weltweit wachsender Beliebtheit. So hat Siemens einen Auftrag über sechs SGT-800-Gasturbinen aus Panama erhalten. Die Industriegasturbinen werden als Teil eines Gas- und Dampfturbinen (GuD)-Kraftwerks gemeinsam mit einer Dampfturbine eine elektrische Leistung von rund 440 Megawatt bereitstellen. Damit ließe sich der Strombedarf von rund 1,9 Millionen Einwohnern Panamas decken.

Erneuerbare Energien unterstützen
Ein mit Erdgas befeuertes Gas- und Dampfturbinen-Kraftwerk mit einer Leistung von 1.000 Megawatt wird von Kiewit Power Constructors Co. in Lawrence County, Pennsylvania, errichtet. Das nordamerikanische Kraftwerk ist für den schnellen, flexiblen Betrieb ausgelegt und soll die Integration erneuerbarer Energien unterstützen. Die Inbetriebnahme ist für das Frühjahr 2020 geplant. Das Kraftwerk wird rund eine Million Haushalte mit Strom zu versorgen.

Aus der bestehenden Anlage in Marcos Paz in der Provinz Buenos Aires, Argentinien, wird ein Gas- und Dampfturbinen(GuD)-Kraftwerk mit dem Projektnamen Genelba Plus. Die elektrische Leistung der Anlage steigt durch die Erweiterung von 168 auf rund 364 Megawatt. Die Inbetriebnahme ist für Mitte 2019 vorgesehen.2021 beginnt in der russischen Teilrepublik Tatarstan ein neues Gas- und Dampfkraftwerk mit der Energieerzeugung. Es soll über eine Kapazität von 495 Megawatt verfügen.

Als Ersatz für alte Kohlekraftwerke
Das schottische Energieunternehmen SSE plc und Siemens kündigten an, beim Bau des GuD-Kraftwerks Keadby 2 in Lincolnshire, Großbritannien, zusammenzuarbeiten. Siemens liefert das Kraftwerk schlüsselfertig. SSE investiert umgerechnet knapp 400 Millionen Euro in den Bau des neuen Kraftwerks, das eine Leistung von 840 Megawatt und einen Wirkungsgrad von 63 Prozent haben wird. Der kommerzielle Betrieb von Keadby 2 ist für 2022 vorgesehen, wenn alte Kohlekraftwerke abgeschaltet werden.

Die neue GuD-Anlage in Lincolnshire passt zu den Zielen von SSE, sich im Bereich Offshore- und Onshore-Wind-Energie zu verstärken. „Gas- und Dampfturbinen-Kraftwerke helfen dabei, das Stromnetz flexibel zu unterstützen. Sie leisten einen wichtigen Beitrag, um Großbritannien beim Ausbau der Erneuerbaren Energien und damit beim Erreichen seiner CO2-Reduktionsziele zu unterstützen“, betont Martin Pibworth, der für den Großhandel zuständige Geschäftsführer bei SSE.

Erneuerbare Energien sind auch für die Energiewende in Deutschland entscheidend. Bis zum Jahr 2050 soll laut Regierung ihr Anteil an der Stromerzeugung auf 80 Prozent steigen – bei einem momentanen Anteil von rund 20 Prozent. „Diese Energiewende wird nur mit einer Umstrukturierung des gesamten Energiekonzeptes gelingen“, betont das Institut für Antriebstechnik DLR. Dabei sei für Deutschland als Industriestandort eine gesicherte Energieversorgung essentiell, da die Wirtschaft davon abhänge. „Durch die starke Zunahme an natürlich fluktuierenden erneuerbaren Energien, wie zum Beispiel Wind- und Solarenergie, sind modernste konventionelle Kraftwerkskonzepte notwendig, um die Versorgungssicherheit zu gewährleisten.“ Das Institut favorisiert GuD-Kraftwerke, die die Rolle der fossilen Unterstützung des Energiewandels übernehmen könnten. Sie seien schon jetzt mit über 60 Prozent thermischem Wirkungsgrad die effizienteste konventionelle Kraftwerkstechnologie auf dem Markt.

Hochdruckventile für zahlreiche Branchen
Ferner verursacht Strom aus modernen GuD-Kraftwerken nur etwa halb so viel CO2 wie Strom aus modernen Kohlekraftwerken. Im Vergleich sind auch die Bauzeit kürzer und die Baukosten deutlich geringer. GuD-Kraftwerke liefern Strom und Wärme. Hersteller von Hochdruckarmaturen werden damit Teil einer fortschrittlichen Kraftwerkstechnologie.

Doch noch laufen GuD-Anlagen nicht auf Hochtouren. Ein Problem ist mitunter der Strompreis. Ist er an der Börse höher als die Produktionskosten, können mit dem Kraftwerksbetrieb positive Deckungsbeiträge erzielt werden. „Ansonsten bleibt das Kraftwerk ausgeschaltet und ist quasi im Stand-By-Modus, weil wir sonst draufzahlen müssten“, erläutert Martin Buschmeier, Geschäftsführer des Trianel Gaskraftwerks Hamm. Im aktuellen Strommarkt sei ein wirtschaftlicher Betrieb von Gaskraftwerken auf Vollkostenbasis gerechnet noch nicht realisierbar.

Eine Situation, die Herstellern und Händlern von Hochdruckventilen aber keine großen Kopfschmerzen bereiten wird. Zu zahlreich sind deren Verwendungsmöglichkeiten. So konzipiert AS-Schneider Hochdruckventile für die Verwendung in der Mess- und Regeltechnik in verschiedenen Branchen: unter anderem für Chemie- und Petrochemieanlagen oder die Erdöl- und Erdgasindustrie. „Hier herrschen oft Drücke von mehreren tausend psi bzw. mehreren hundert bar, die Prozessmedien können aggressiv und für Mensch und Umwelt schädlich sein“, erklärt das Unternehmen. Die meisten Ventile stießen unter diesen Bedingungen schnell an ihre Grenzen.

Variables Baukastenprinzip
Und so ist das Hochdruckventil konzipiert: Die Spindelabdichtung (Packung) besteht aus dem Kunststoff PTFE. „Darüber hinaus verfügen die Hochdruckventile über einen metallischen Rücksitz, der eine zusätzliche Abdichtung nach außen darstellt und so die Packung entlastet“, so AS-Schneider. Mit dem Ergebnis, dass der Verschleiß geringer und das Ventil ausblassicher sei.

Durch ein Baukastenprinzip lassen die Hochdruckarmaturen viele Kombinationsmöglichkeiten hinsichtlich Funktion, Werkstoffauswahl, Anschlussart und Anwendungsbereich zu, erläutert die Göpfert AG. Beispiele hierfür seien neben den Absperrventilen Regelventile, Rückschlagventile, Schmutzfänger, Ventile für den Schalttafeleinbau, Ventile mit Schneidringverschraubung oder mit Einschweißenden und Ventile mit außenliegendem Spindelgewinde. „Neben der traditionellen Handradbetätigung sind unsere Hochdruckarmaturen auch für eine Antriebsmontage und einen Einsatz als automatisierte Armatur verwendbar“, berichtet das Unternehmen.

Dass die Dichtheit wichtig ist, betont auch Bürkert. Das vorgesteuerte Ventil mit Servokolben und 2-Wege-Vorsteuerung besitzt eine zusätzliche radiale Abdichtung und „ermöglicht sehr gute Dichtheit“, so das Unternehmen. Die Hochdruckausführung deckt einen Druck bis 250 bar ab.

Fossile und nukleare Energieerzeugung
Schroeder Valves ist als Hochdruckventilhersteller in den Bereichen fossile und nukleare Energieerzeugung und Descaling (Stahlerzeugung) aktiv. Bei dem Unternehmen beginnt der HD-Bereich etwa ab den Druckstufen PN250 bzw. Class 1500 lbs. Das entspricht in den klassischen (Mindestventil-) Anwendungen Betriebsdrücken ab ca. 140 bar und geht aufwärts bis ca. 400 bar. Es gibt jedoch auch Anwendungsbereiche für Hochdruckventile mit mehreren 1000 bar Betriebsdruck. Typische Werkstoffe im Anwendungsbereich von Schroeder Valves sind gehärtete martensitische Stähle.

„Für Mindestmengenventile ist die klassische Anwendung der Kesselspeisewasserbereich fossiler und nuklearer Kraftwerke, wo das Wasser aufgrund des besseren Wirkungsgrades zunächst auf hohen Druck gebracht wird, bevor es durch Wärmezufuhr verdampft und über eine Turbine entspannt wird“, erläutert Inhaber Axel Mücher. Weitere Anwendungsgebiete seien die Entzunderung von Walzerzeugnissen in Stahlwerken – hier werde die unerwünschte Zunderschicht auf den Brammen mit einem Hochdruckwasserstrahl quasi abgesprengt – und die Water Injection, wobei Wasser unter hohem Druck in ein Öl- oder Gasvorkommen eingepresst werde, um den Innendruck der Quelle und damit den Förderstrom zu erhöhen.

Gewichtsersparnis als Ziel
Besondere Situationen erfordern besondere Maßnahmen: Hohe Drücke erzeugen sehr hohe Kräfte auf die druckbegrenzenden Wandungen einer Armatur, was per se eine sehr massive Bauweise erfordert. „Materialeinsatz und Gewichtsersparnis spielen deshalb schon aus rein kostentechnischen Erwägungen eine Rolle“, so Mücher. Bei der geometrischen Gestaltung versuche man deshalb, das druckbeaufschlagte Volumen möglichst effizient und materialsparend zu umschließen.

Zu beachten ist auch, dass Ventile in Rohrleitungen integriert werden müssen, wo ihr Gewicht teilweise hohe Betriebskräfte erzeugt, die durch entsprechende Tragstrukturen abgefangen werden müssen. Mücher: „Auch hier ist eine möglichst materialeffiziente Gestaltung im Interesse des Anwenders.“

Die Anwender achten also genauestens auf Qualität, Kosten und Kriterien wie Gewichtsersparnis. Hersteller von Hochdruckarmaturen, die selbst nicht unter Druck geraten wollen, müssen sich hierauf einstellen. Dann kann ihr Geschäft auf Hochtouren laufen. Hersteller, Anwender und Händler solcher Ventile treffen sich vom 1. bis 3. 12. 2020 auf der VALVE WORLD EXPO in Düsseldorf, der Weltleitmesse für Industriearmaturen und Ventile.

Bei Veröffentlichung freuen wir uns über ein Belegexemplar!