Langfristerfahrung mit hinterlüfteten Platten über mehr als zehn Jahre
– Ein Überblick –
Manfred Möller und Markus Horn
1. Zielsetzung ...504
2. System des Rohrwandschutzes mit hinterlüfteten Platten...505
2.1. Allgemeine Funktionsweise ...505
2.2. Werkstoffauswahl SiC ...506
2.3. Konstruktion ...509
2.4. Verfahrenstechnik ...510
3. Marktentwicklung für hinterlüftete Platten ...510
3.1. Markteinführung ...510
3.2. Marktverbreitung ...511
4. Statistische Betrachtungen zu hinterlüfteten Platten...512
4.1. Datenerhebung ...512
4.1.1. Weltweiter Einsatz der JuSySAir Platten ...513
4.1.2. Abkleidungsgrößen ...513
4.1.3. Anlagenbauer ...514
4.1.4. Brennstoffarten ...514
4.1.5. Rohrteilungen ...514
4.1.6. Rohrwandtemperaturen Dampfparameter ...515
4.1.7. Abkleidungsflächen und Lagen ...516
4.1.8. Altersklassen der Kessel mit JuSySAir Plattensystem...517
4.2. Datenanalyse ...517
4.2.1. Definition von Reparatur und Ersatzflächen ...517
4.2.2. Bildung von Klassen ...519
4.2.3. Andere Einflussgrößen ...521
5. Bewertung der Lebensdauerstatistik ...522
6. Fazit ...523
7. Literarturverzeichnis ...523
Der wirtschaftliche, umweltverträgliche und sichere Betrieb von Energy from Waste (EfW)-Anlagen steht in der heutigen, wettbewerbsorientierten Zeit immer mehr im Fokus.
Wie es sich immer deutlicher zeigt [1], ist der Einflussfaktor der Anlagenverfügbarkeit mit einem gewichtigen Schwerpunkt zu versehen. Der dauerhaft, verlässliche Betrieb der Kesselanlagen bestimmt zu einem großen Maße den Erfolg der Anlagenbetreiber in diesem Markt. Die Kesselreisezeit im 1. Zug ist schon immer ein gewichtiger, mit- bestimmender Faktor für den Erfolg der gesamten Anlage gewesen.
Vor über 13 Jahren, am 14. Oktober 1999, wurde durch das Deutsche Patentamt mit der Offenlegungsschrift DE19816059 [2] ein neuartiges Rohrwandschutzsystem auf Basis von feuerfesten Platten und einem geschlossenen Spülluftspalt mit erzwungenem Überdruck patentiert. Dieses Konzept wurde entwickelt, um den Schutz der Rohrwand vor korrosivem Angriff durch aggressiver werdende Abgase über möglichst lange Zeiten sicherstellen zu können. Dank der offenen, engen und konstruktiven Zusammenarbeit von Betreibern mit dem Feuerfest Systemlieferanten konnte der damals neuartige Weg eingeschlagen werden. Die Idee aktiv geförderte Luft in eine geschlossene Sperrschicht zwischen den schädlichen und korrosiven Abgasen und der Rohrwand einzusetzen, war nicht unbedingt naheliegend. Der unbestreitbare, negative Einfluss der Luft als thermischer Isolator auf den Wärmeübergang zur Rohrwand war zunächst ein scheinbar unüberbrückbares Hindernis. Nach anfänglichen Bedenken konnte diese Einschätzung durch Modellrechnungen [3, 4] und sehr positive Betriebserfahrungen auf das richtige Maß korrigiert werden. Die Markteinführung dieses Systems hat nicht nur deshalb, sondern auch aufgrund seiner damaligen Neuartigkeit einige Zeit in Anspruch genommen.
Die hinterlüfteten Platten haben sich aber bis heute mit zunehmendem, großen Erfolg in deutschen [5] und auch in ausländischen Abfallverbrennungsanlagen ihren Weg gebahnt. Ihre Verbreitung, insbesondere im Ausland, schreitet stetig voran. Auch die Verwendung bzw. regionale Verbreitung dieser Technologie soll in diesem Beitrag veranschaulicht werden.
1. Zielsetzung
Die Aufgabenstellung ergab sich aus den Beiträgen der letzten Jahre zum Thema hin- terlüftete Plattensysteme [6, 7]. Dort wurde durch Jünger+Gräter das Thema aufge- nommen und anhand von Einzelbeispielen aufgearbeitet. Die Aufgabe bestand darin, die Erfahrungen anhand von umfangreichen, vorliegenden Daten soweit möglich zu verallgemeinern und auf ein statistisches Niveau zu heben, so dass die anlagenspezifi- schen Besonderheiten jeder einzelnen Anlage nicht mehr von bestimmender Rolle sind.
Ziel dieses Beitrages ist es, für das hinterlüftete Plattensystem :
• einen kurzen Abriss der Funktion zu geben,
• den Einsatz in verschiedenen Anlagen seit 1999 zu dokumentieren,
• die verschiedenen Einsatzbedingungen aufzuzeigen,
• die Austauschraten anhand der erhobenen Daten zu dokumentieren bzw. zu quan- tifizieren.
Abschließend soll wieder anhand von aktuellen Betriebserfahrungen der mögliche Einfluss der Abgas- bzw. Betriebsbedingungen auf die erwartete Lebensdauer des Rohrwandschutzes diskutiert werden.
2. System des Rohrwandschutzes mit hinterlüfteten Platten
2.1. Allgemeine Funktionsweise
Das System der hinterlüfteten Platten wurde schon verschiedentlich erklärt [7], hier wird ein kurzer Abriss über die Funktionsweise gegeben.
Die Idee des Rohrwandschutzes mit hinterlüfteten Platten lebt von zwei grundlegenden Tatsachen. Erstens davon, dass bei höheren Temperaturen der Wärmetransport nach dem Stephan-Boltzmann-Gesetz vom Strahlungsanteil dominiert wird. Zweitens davon, dass eine kontrollierte, mit einem spezifischen Überdruck betriebene Sperrluftatmo- sphäre den durch verschiedene Stofftransporte in Richtung Rohrwand transportierten Schadgasstrom wieder in Richtung Feuerraum fördert.
Beide Tatsachen sind eigentlich der Idee der idealen Feuerung und dem idealen Wärmeübergang nicht unbedingt zuträglich. Selbst, wenn die Strahlung den Haupt-
Bild 1: Hinterlüftetes Plattensystem JuSyS Air
anteil des Wärmetransportes übernimmt, wäre in diesem Temperaturfenster eine perfekte Wärmeleitung natürlich immer besser in der Lage den Wärmetransport zu übernehmen als ein System mit einem zusätzlichen Luftspalt [4].
Der Eintrag von Fremdluft in den Feu- erraum ist natürlich ebenfalls ein eher kritisch gesehener Umstand, der sich in einem geschlossenen, porösen und nicht vollständig dichten keramischen, System nicht vermeiden lässt. Insbesondere die handwerklich erzeugten Fugen zwischen den Platten stellen hier eine natürliche Begrenzung der Dichtigkeit dar.
Beides sind allerdings Tatschen, denen man leichter Rechnung tragen kann, wenn man die Vorteile des hinterlüfteten Systems mit ins Kalkül zieht. Eine ideale
Feuerung ist wahrscheinlich immer eine Wunschvorstellung, der man sich nur annähern kann. Es müssen immer sinnvolle Kompromisse geschlossen werden, um das optimale Gesamtergebnis der Anlage zu erzielen.
2.2. Werkstoffauswahl SiC
Der feuerfeste Werkstoff, der sich in der Vergangenheit als optimaler Werkstoff zur Abdeckung verschiedener geforderter Eigenschaften herauskristallisiert gestellt hat, ist ein nitrid-gebundenes Siliziumcarbid (SiC) mit einem SiC-Anteil von rund 80 % mit besonderen spezifizierten Eigenschaften. Diese Werkstoffgruppe wird seit langer Zeit von verschiedenen Plattensystemen genutzt [8].
Hier sollen noch einmal die vier Eigenschaften hervorgehoben werden, die bei einem Einsatz in EfW-Anlagen von besonderer Wichtigkeit sind. Die Wärmeleitfähigkeit wegen der Wärmeleitung durch die Platte selbst, die extrem gute Temperaturwech- selbeständigkeit, die geringe thermische Dehnung und eine sehr gute Oxidationsbe- ständigkeit.
Die Wärmeleitfähigkeit ist eine für den technologischen Werkstoff nitridgebundenes SiC mit einem SiC/Si3N4/Si2ON2 Gesamtanteil von mehr als 95 %, weitgehend durch die Po- rosität bzw. innere Struktur bestimmt. Diese liegt in dem relevanten Temperaturfenster typischerweise in der Größenordnung von 18 – 25 W/mK. Das Herstellungsverfahren und die Rohstoffanalyse bestimmten hier den Wert, der sich aber in der Vergangenheit als nicht besonders herstellungskritisch erwies. Wird die Porosität der Platte sicher beherrscht, ist die Wärmeleitfähigkeit durch den Herstellprozess gut bestimmt.
Die sehr gute Temperaturwechselbeständigkeit (> 100 Abschreckungen in Wasser;
DIN 51068) des nitridgebundenen SiC‘s ist für die thermisch stark schwankenden Belastungen der Feuerungen mit ebenfalls wechselnden Heizwerten unerlässlich. Auch dieser Wert hat sich als sicher beherrschter Faktor erwiesen.
Die geringe reversible Längenänderung des SiC im Verhältnis zum Kesselblech ermög- licht im Normalbetrieb einen annähernd spannungsfreien Zustand des Plattensystems.
Die Dehnung des Stahls beträgt 1,25 (mm/m • 100 K) und die der SiC-Platte nur rund 0,47 (mm/m • 100 K). Dies bedeutet, dass bei Plattentemperaturen bis etwa 700 °C der Stahl der Dehnung des feuerfesten Materials bei typischen Druckstufen voraus eilt.
Es müssen also nur unvermeidliche Relativdehnungen, insbesondere beim Abfahren berücksichtigt werden.
Von absolut herausragender Bedeutung ist der Wert der Beständigkeit gegen Oxida- tion ((500 h bei 1.000 °C); ASTM C 863). Im Hause Jünger+Gräter hat sich im Laufe der Jahre ein Wert von 1,3 Vol.-% als ein sicher Anhaltswert zur Überwachung dieser Eigenschaft herausgestellt. Hieraus ergibt sich aber auch die, für die Plattenhersteller, größte Schwierigkeit.
Es hat sich in der Vergangenheit gezeigt, dass der Systemlieferant auf diesen Wert das größte Augenmerk legen muss. Die besondere Schwierigkeit liegt hier in der Dauer
Inserat
Jünger + Gräter
GmbH
Inserat
Saint-Gobain Industrie
Keramik
(500 h) der Ermittlung dieser Werte. Eine regelmäßige, unabhängige, den Hersteller überwachende Qualitätssicherung durch eigene Labore hat sich als unerlässlich her- ausgestellt.
Überschreitungen der Oxidationswerte über die spezifizierten Werte hinaus führen plattensystemunabhängig unausweichlich zu Problemen in der Anlage und können nicht toleriert werden.
Das reversible Dehnspiel wird durch die Konstruktion der Platten bzw. deren Ver- bindung zu dem Verankerungssystem gut toleriert. Ein unkontrolliertes, irreversibles Wachsen der Platte durch unzulässig hohe Oxidation führt aber zu Spannungen im System, die die Platten bis zum Verlust schädigen könnten.
2.3. Konstruktion
Das Plattensystem wird über einen zweiteiligen, metallischen Anker mit der Kesselwand verbunden. Bei der Verankerung handelt es sich um eine angeschweißte Steckverbin- dung aus zwei verriegelten Platten.
Die Platten stehen auf je zwei Flacheisen, die an die Rohrwand angeschweißt sind. In diese Flacheisen ist je eine Aufnahmenut zur Fixierung des sogenannten Steckbleches eingebracht.
Der angeschweißte Ankerteil trägt auf der kalten Seite die gesamten Vertikallasten der Platten in die Rohrwand ab und die Steckbleche die eventuell auftretenden Horizontallasten.
Die Aufnahme dieses Steckbleches ist in der SiC-Platte so gestaltet, dass eine gleichmäßige Spannungsverteilung in die Keramik gewährleistet wird.
Die Werkstoffauswahl fällt hier typischer- weise auf den Stahl 1.4828, der sich im Bereich von metallischen Verankerungen der Feuerfest-Industrie bewährt hat. Nur bei besonderen Betriebsbedingungen ka- men bisher auch Nickelbasislegierungen (z.B. 2.4856) zum Einsatz.
Die notwendige Dichtigkeit des Systems wird durch eine umlaufende Schwalben- schwanzfuge und durch die in den Fugen eingesetzten Dichtplättchen aus Keramik hergestellt.
Bild 2: Verankerung des Plattensystems
2.4. Verfahrenstechnik
Zur Verhinderung des korrosiven Angriffes der Membranwand muss eine Schutz- atmosphäre (Luft) im Spalt zwischen Keramik und Platte aufrecht erhalten werden.
Verschiedene Effekte müssen hier berücksichtigt werden. Der Feuerraum befindet sich zwar grundsätzlich im Unterdruckbereich, aber auch ein temporäres Schnaufen des Kessels ist eine bekannte Tatsache. JuSyS Air wird mit Spaltdruck zwischen Mem- branwand und Plattenrückseite von > 2 mbar ausgelegt. In der Praxis können sich durch verschiedene Gegebenheiten des Systems aber unterschiedliche Spaltdrücke einstellen.
Es wurden Drücke bis etwa 20 mbar erreicht. Der Schutz der Membranwand konnte aber, trotz streuender Werte, immer sichergestellt werden.
Die Verteilung der Luft findet über sogenannten Kammkästen statt. Die Gleichver- teilung der Strömung wird durch die Dimensionierung der Drosseln (Bohrungen/
Schlitze) sichergestellt.
Die Luftmenge bewegt sich typischerweise und auslegungsgemäß um einen Wert von 10 m³/m²h. Auch diese Größe ist von komplexen Zusammenhängen abhängig, dessen genauer Wert immer noch nicht völlig verstanden und analysiert ist. Aber auch hier wurde in den letzten 10 Jahren keine negativ Auswirkung auf den Rohrwandschutz festgestellt. Kessel mit größerer Spülmenge oder mit sehr kleiner Spülmenge zeigen, was den Rohrwandschutz betrifft, dasselbe gute Ergebnis. Der Einfluss auf die Feuerung wird natürlich ständig diskutiert. Schon aus diesem Grund muss es das Bestreben des Feuerfestbauers sein, die größtmögliche Dichtigkeit herzustellen.
3. Marktentwicklung für hinterlüftete Platten 3.1. Markteinführung
Die Verbreitung von hinterlüfteten Platten begann im Jahre 1999 bzw. 2000 in der Abfallverbrennungsanlage Schwandorf. Dort wurden an der Linie 1 – 3 insgesamt etwa 375 m² hinterlüftete Platten eingebaut. Später kamen als Pioniere dann noch die KVA Bern, die GKS Schweinfurt und das MHKW Ludwigshafen mit insgesamt 340 m² hinzu.
Das Plattensystem in Schwandorf war hiervon sicherlich das am meisten untersuchte System innerhalb Deutschlands. In verschiedenen Veröffentlichungen wurden hierüber Untersuchungen bzw. Haltbarkeitsbetrachtungen angestellt [9].
Im Jahre 2011 wurden diese Platten der ZMS Schwandorf nach teilweise über 11 jäh- rigem Betrieb vollständig ersetzt. Es wurde eine gemeinsame Studie von der Betreiber- seite und von Jünger+Gräter [10] über den Zustand der Platten des Rohrwandschutzsys- tems sowie der Rohrwand im Abfallkessel 2 beauftragt. Hierin wurde festgesellt, dass der Zustand des Systems auch noch nach mehr als 10 Jahren bzw. 80.000 Betriebsstunden noch sehr gut ist. Die Rohrwand war ebenfalls in einem derartig guten Zustand, dass auch nach mehr als 10 Jahren keinerlei Reparaturen in diesem Bereich notwendig waren. Die Abzehrrate der Rohrwand war kaum messbar [10].
Der Betreiber ZMS Schwandorf hatte aber sich aber im Vorfeld bereits dazu entschie- den, das Rohrwandschutzsystem komplett auszutauschen ohne auf die noch eventuell vorhandene Restlebensdauer einzugehen, um nach dieser langen Zeit die Rohrwand einmal begutachten zu können.
3.2. Marktverbreitung
Insgesamt hat die Firma Jünger+Gräter GmbH seit Patentierung etwa 25.000 m² hinter- lüftete Platten verkauft und installiert. Die hinterlüfteten Platten passen sich natürlich in das Portfolio der anderen feuerfesten Rohrwandschutzsysteme ein. Neben den hier beschriebenen hinterlüfteten Platten werden auch die anderen Konzepte wie verklebte und hintergossene Platten je nach Anforderung der Betreiber vertrieben. So dass bis heute insgesamt mehr als 100.000 m² JuSyS-Plattensysteme installiert worden sind.
Ab dem Jahr 2005 kam es zu einen Boom des Einsatzes von hinterlüfteten Platten, den man als Durchbruch der Hinterlüftung im Markt bezeichnen könnte.
Aber auch die verklebten, sogenannten Standard-Platten erleben in der jüngsten Zeit wieder einen steilen Anstieg in der Nachfrage, so dass es zu einem ausgeglichenen Verhältnis zwischen diesen beiden Systemen kommt. Die hintergossene Platte ist seit 2008 auf einen klaren dritten Platz verdrängt worden, da in weiten Bereichen die hinterlüftete Platte technisch als vorteilhaft angesehen wird. Ursprünglich befürchtete Schwächen des hinterlüfteten Systems haben sich als offenbar unbegründet erwiesen, so dass die Vorteile der Hinterlüftung klarer zum Tragen kamen. Insbesondere die Verbindung der gut wärmeleitenden geklebten Platte im unteren Feuerraum hat sich immer mehr durchgesetzt.
Installierte Systemfläche m2/a
10.000 9.000 8.000 7.000 6.000 5.000 4.000 3.000 2.000 1.000 0
Einbaujahr JuSyS Total JuSyS Air
JuSyS 6 und JuSyS SL
JuSyS Standard 1986198819901992199419961998200020022004200620082010
Bild 3:
Marktentwicklung der Platten- systeme
4. Statistische Betrachtungen zu hinterlüfteten Platten
4.1. Datenerhebung
Zur Erhebung der Betriebs- und Lebensdauerdaten der hinterlüfteten Platten wurden verschiedene interne Datenquellen herangezogen. Die zuverlässigsten Quellen waren hierbei die Engineering-Unterlagen wie As Built-Zeichnungen und -Stücklisten. Diese Daten wurden mit Daten der Materiallogistik ergänzt, um auch kleine Flächen von Revisionen zu identifizieren, die nicht immer vom Technischen Büro erfasst wurden.
Abschließend wurden die Daten von den jeweils zuständigen Projektleitern auf Plau- sibilität gegengeprüft.
Die Ergebnisse dieser Datenerhebung werden zunächst nur dargestellt, um den Ein- satzbereich der hinterlüfteten Platten besser einordnen zu können.
Betreiber
Anlagenname Kesselnummer Standort/PLZ Betreiber/Eigentümer Land
Anlagenklassifikation KMV/EBS/FRV Betriebsweise
RW-Temperatur Konstruktion
System/Rohrteilung/Format/Stck. pro m² Anlagenbauer
Größe der Fläche Materialsorte Höhenquote
OK und UK JuSyS-Air des Kessels RW/LSW/VW/RSW/Prisma usw.
Senkrecht/liegend/hängend Art der Abkleidung
Erstabkleidung/Reparatur/Ersatz Termin (Monat/Jahr)
Erstabkleidungstermin Abkleidungstermin zeichnerische Grundlage Zeichnungsnummer
Hyperlink auf die Zeichnung Projektleitung
Tabelle 1: Datenumfang eines Datensatzes der
JuSyS-Datenbank Natürlich ist bei der großen Anzahl von Daten auch von Fehlern auszugehen. Die Plausibilität der Daten wurde anhand von Aufzeichnungen der Projektleiter überprüft. Ein Fehler in der Größenord- nung bis zu 5 % der ermittelten Fläche kann nicht ausgeschlossen werden. In die Datenbank wurden nur technische Konstruktionsmengen erfasst. In der Materiallogistik werden natürlich nur alle gelieferten Platten erfasst. Diese wurden aber auch teilweise für das intere J+G Lager oder für die Betriebsläger unserer Kunden erfasst.
Die erfasste Erstinstallationsfläche JuSyS Air beträgt etwa 21.300 m² oder 217.800 Platten. Insgesamt wurden hierfür etwa 850 Einzeldatensätze erfasst, in denen die installierten Flächen hinterlüfteter Platten beschrieben sind. Die kleinste, einzeln betrachtete Einzelfläche beträgt 0,1 m², die größte 226 m². Der Gesamt- datenbestand über alle Flächen, also auch für verklebte und hintergossene Platten des JuSyS-Systems beträgt annähernd 1.600 Datensätze.
4.1.1. Weltweiter Einsatz der JuSySAir Platten Insgesamt wurden Dokumente von 56 Kunden aus 14 Ländern mit Anlagen mit einer hinterlüfteten Auskleidung betrachtet, welche 99 entsprechende Abfallkessel betreiben.
Das Verhältnis von Flächen, die im Inland installiert sind, zu denen die im Ausland stehen, ist mit 52 %/48 % annähernd ausgeglichen.
Diese Betrachtung trifft allerdings nicht mehr zu, wenn man nicht mehr die Flächen, sondern Anzahl der Abfallkessel zum Maßstab macht. In diesem Fall werden 75 % der Abfallkessel mit Hinterlüftung in Deutschland betrieben und nur ein Viertel im Ausland.
Es wurden 5 %, also etwa 1.100 m² im Ausland außerhalb der EU 27 Staaten installiert.
Schweiz 4 %
Großbritannien 9 %
Singapur 2 %
Deutschland 52 % Österreich 7 % Estland 4 %
Luxemburg 2 % Frankreich 5 %
Niederlande 7 %
Quatar 3 % Dänemark 1 % Finnland 1 % Irland 1 % Belgien 2 %
Bild 4: Abkleidungsflächen in den unterschiedlichen Ländern
4.1.2. Abkleidungsgrößen Die mittlere Abkleidungsfläche mit hinterlüfteten Platten je Abfallkessel beträgt 230 m² weltweit. Im Inland ist diese Fläche mit 181 m² etwas kleiner. Im Ausland ist dieser Mittelwert fast um ein Drittel größer, nämlich 296 m². Dies ist sicher der Tat- sache geschuldet, dass acht der neun größten Abfallkessel mit JuSySAir im Ausland installiert wurden.
Die größten Abfallkessel mit JuSy-Air Abkleidungen sind:
• 3 Kessel Riverside, London mit jeweils etwa 580 m²
• 2 Kessel Issy Les Moulineaux, Paris mit jeweils etwa 550 m²
• 1 Kessel Linz AG, Linz mit etwa 500 m²
• 1 Kessel TREA Breisgau, Eschbach mit etwa 490 m²
• 2 Kessel TIRME Mallorca, Palma de Mallorca mit jeweils etwa 430 m²
4.1.3. Anlagenbauer
Das JuSyS Air System wurde in den letzten zehn Jahren an fast alle Anlagenbauer von EfW-Anlagen ausgeliefert. Rechtsvorgänger wurden soweit möglich in den aktuellen Firmen zusammengefasst. Für die Gesamtflächen in Abfallkesseln ergibt sich folgen- des Bild:
Baumgarte 6 %
Sonstige 4 %
Hitachi Zosen Inova 42 % AE&E (bis 2010)
21 %
Fisia Babcock Environment 13 %
Keppel Seghers
8 % Martin
4 %
Bild 5: Flächen über Anlagenbauer
4.1.4. Brennstoffarten
Die Abkleidungsfläche ist zu 80 % in Anlagen der kommunalen Abfallverbrennung mit normaler Rostfeuerung installiert. Nur 10 % sind in Anlagen eingebaut, die Er- satzbrennstoff oder Flüssigrückstände verbrennen. In der Anlage Linz AG, Linz [11]
ist das System auch in einer stationären Wirbelschichtanlage eingesetzt worden.
4.1.5. Rohrteilungen
Die Aufteilung der Gesamtabkleidungsfläche auf die verbreitetsten Rohrteilungen lässt sich dem unten stehenden Diagramm ablesen.
Die drei Rohrteilungsklassen 80/60; 75/57, und 90/60 dominieren mit über 90 % die installierte Fläche. Die Klassen 80/60 bzw. 80/57 und 90/60 bzw. 90/57 wurden jeweils zu einer Klasse zusammengefasst, da bei JuSyS Air der jeweils größere Plattenmesser
auch für die kleineren Rohre verwendet werden könnte, ohne einen nennenswerten Verlust im Wärmedurchgang beobachten zu können.
Die Verteilung der Rohrteilung hat natürlich einen Einfluss auf Bevorratung von Plat- ten. Die gängigen drei Rohrteilungen sind planmäßig immer mit 150 m² bis 300 m² Manövrier- und Reparaturbestand verfügbar.
Rohrleitungsklasse 90/60 (90/57) 26 %
Rohrleitungsklasse 78/60 6 %
Rohrleitungsklasse 85/63 1 % Rohrleitungsklasse 80/60 (80/57)
36 %
Rohrleitungsklasse 75/75 27 %
Rohrleitungsklasse 100/60 4 %
Bild 6: Flächen über Rohrteilungen
4.1.6. Rohrwandtemperaturen Dampfparameter Die Rohrwandtemperaturen sind uns nur als Auslegungsgröße benannt worden. Es ist davon auszugehen, dass dieser Wert im Praxisbetrieb stark von den Angaben ab- weichen können. Diese Temperatur schwankt in einem nicht gewichteten Mittelwert für alle Kessel etwa 292 °C.
Temperaturklassen °C
260 280
35 30 25 20 15 10 5
Verteilung der Flächen
%
240 250 270
0
290 300
Bild 7: Prozentuale Verteilung der Flächen in Temperatur-Klassen
Die minimale Rohrwandtemperatur liegt für die von uns verwendeten Platten bei 240 °C, die maximale Rohrwandtemperatur bei 300 °C. Der Wert der flächengewich- teten Rohrwandtemperatur bewegt sich wie unten ersichtlich mit einem Streuband von etwa 20 °C um den Mittelwert 280 °C.
4.1.7. Abkleidungsflächen und Lagen
Die erfassten Flächen wurden nach linker und rechter Seitenwand (LSW; RSW) und Vorder- und Rückwand bzw. Trennwand (VW; RW) unterschieden. Nur ein sehr geringer Anteil der Flächen wurde auch im sogenannten Prisma eingesetzt. Aus den Daten kann man ersehen, dass das System, obwohl es teilweise immer wieder erweitert wurde, sehr gleichmäßig über alle Kesselwände eingesetzt ist.
35 30 25 20 15 10 5
Verteilung der Flächen
%
linke Seitenwand
rechte Seitenwand
Rückwand/
Trennwand zum 2. Zug
Vorderwand
0 Bild 8:
Prozentuale Verteilung der Flä- chen auf die Kesselwände
6.000 5.000 4.000 3.000 2.000 1.000
Erstzustellungsflächen m2
senkrechte Einbaulage an lotrechter
Wand
hängende/
überhängende Einbaulage senkrechte
Einbaulage an lotrechter
Wand
senkrechte Einbaulage an lotrechter
Wand
senkrechte Einbaulage an lotrechter
Wand hängende/
überhängende Einbaulage
liegende
Einbaulage liegende
Einbaulage
linke
Seitenwand rechte
Seitenwand Rückwand / Trennwand zum 2. Zug Vorderwand 0
Bild 9: Absolute Verteilung der Erstzustellungflächen nach Wänden und Einbaulagen
Für jede Fläche wurde die Einbaulage mit erfasst. Diese wurde durch das Verhältnis von Plattennormale zur Erdschwere definiert. S steht für senkrecht; H für hängend (das Ge- wicht der Platte lastet teilweise auf den Steckblechen) und L steht für liegender Einbau.
Nur die Vorder- und Rückwand weisen von der Senkrechten abweisende Einbaulagen auf.
4.1.8. Altersklassen der Kessel mit JuSyS-Air Plattensystem Die Datenbeschreibung wird mit der Aufteilung Flächen in Altersklassen abgeschlossen.
Das mittlere, gewichtete Alter des Systems, also das Produkt aus installierter Erstzustel- lungsfläche und Alter der Erstzustellung geteilt durch die Gesamtfläche ergibt 4,5 Jahre.
2001 2003 2004
5.000
4.000
3.000
2.000
1.000
Erstabkleidungsflächen m2
1999 2000 2002
6.000
2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 0
Bild 10: Erstabkleidungsflächen in den verschiedenen Jahren kumuliert
4.2. Datenanalyse
4.2.1. Definition von Reparatur und Ersatzflächen Die Analyse der Betriebserfahrung mit hinterlüfteten Platten soll hier auf einer statis- tischen Gesamtmenge erfolgen, um die anlagen-, betriebs- und brennstoffspezifischen Einzelereignisse auszublenden. Hierfür war es aber notwendig, diese Flächen jeweils einem starren Bewertungsschema zu unterwerfen.
Die aufgenommenen Installationsflächen wurden in drei Arten unterteilt:
• Erst-Neuzustellungsflächen
* Erstzustellungflächen
* Erweiterungflächen
• Reparaturfläche (Teilflächen)
* Keramikdefekt
* Dehnungsdefekt
* Ankerdefekt
• Ersatzzustellfläche (gesamte Wände oder große Teile davon)
* Ersatzzustellung nach Lebensdauerende
* Rohrwandtausch ohne Schaden an dem Plattensystem
Zu beachten ist, dass in den Reparatur- und Ersatzflächen auch artfremde Flächen grö- ßenmäßig erfasst sind. Dies sind meist kundenseitige Ursachen, die nicht das eigentliche Plattensystem betreffen. Es war aus der Flut der Daten nicht sinnvoll, diese Mengen noch in eine eigene Klasse zu fassen, da die Begründung dieser Klasse dann immer vom Einzelfall abhängt. Zur realistischen Betrachtung wurden diese Mengen mit saldiert.
Ein Problem, welches sich in Bild 11 ohne Klassierung ergibt, ist, dass der Anteil der erneuerten, reparierten oder ersetzten Fläche nicht ins Verhältnis zu dem jeweiligen Alter des Kessels dargestellt wird. Die kumulierte Reparaturrate liegt immer deutlich unterhalb von 10% liegt und erst nach gut 6 Jahren erfolgen erste Ersatzzustellungen.
Dies ist allerdings für eine zeitliche Quantifizierung zu wenig eindeutig.
2001 25.000
20.000 15.000 10.000 5.000 Zustellfläche m2
1999 2000 2002 0
2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 Jahr
Neuzustellungs-
fläche m2 Reparatur-
fläche m2 Ersatz- fläche m2
Bild 11:
Flächen nach Neuzustellung, Reparatur und Ersatz
Subsummierend lässt sich sagen, dass das mittlere Alter (Produkt aus Flächenalter mal Fläche/Gesamtzustellfläche) aller betrachteten Flächen wie bereits erwähnt 4,5 Jahre beträgt. Die mittlere kumulierte Reparaturfläche beträgt 6 %. Die kumulierte Ersatzfläche beträgt 9 %.
Die gesamte ausgetauschte Fläche beträgt also etwa 15% der derzeit installierten Ge- samtfläche.
Die zunehmenden Flächen mit hinterlüfteten Platten führen aber dazu, dass die Grundmenge natürlich nicht konstant bleibt. Insgesamt sind etwa 10 % der Flächen vor mehr als 8 Jahren installiert worden. Ab 2005 hat sich dann, wie bereits beschrieben, die abgekleidete Fläche überproportional vergrößert.
4.2.2. Bildung von Klassen
Um jetzt bessere, statistische Aussagen über die Haltbarkeit des Systems treffen zu können, müssen zwei Zwischenschritte angewendet werden.
Erstens wurden bereits Altersklassen in den Kalenderjahren gebildet, um eine Grund- größe der Abkleidungsfläche in jeder Altersklasse festzulegen.
2 3
25.000
20.000
15.000
10.000
5.000
Abkleidungsfläche m2
1 0
4 5 6 7 8 9 10 11 12
Bild 12: Altersklassen der Abkleidungsflächen
Zur Verdeutlichung des Problems sei hier auf die Demographie verwiesen. Alle Men- schen könnten während der Geburt sterben, aber nur ein geringer Anteil an Alters- schwäche mit 92 Jahren.
Da auch Teilflächenerneuerungen in den Daten berücksichtigt werden sollten, wurde das Kesselalter bei Ersatzauskleidungen für diese Teilfläche nicht wieder zurückgesetzt.
Es können beliebig viele unterschiedliche Klassierungssysteme gewählt werden.
Zur besseren Verständlichkeit könnte man auch eine andere Klassierung als sinnvoll erachten. Eine Klassierung in zwei Klassen kann mit jünger als X Jahre und älter als X Jahre definiert sein.
Die relativen Teilergebnisse der jeweiligen Klassen lassen sich natürlich nicht addieren, da die Grundmenge für jede Klasse unterschiedlich ist. 10 % der Flächen in Kesseln die 1 Jahr oder älter sind haben nichts mit 10 % von Kesseln zu tun, die 10 Jahre oder älter sind.
Als zweiter Zwischenschritt wurde für jeden Kessel über den Datensatz ein Art Be- triebskalender definiert, um die Reparatur- oder die Ersatzflächen aus der Kalenderzeit in die Kesselzeit bzw. das Alter ab Erstabkleidug zu überführen.
Dieser Betriebskalender definiert für jeden Kessel einen Startpunkt, ab welchem das Alter der Platten gerechnet werden soll.
Beide Klassierungen werden überlagert. Wenn man die Austauschfläche in jeder Klasse mit der Grundmenge der entsprechenden kumulierten Altersklasse ins Verhältnis setzt, ergibt sich für die Austauschrate folgendes Bild.
70 60 50 40 30 20 10
Verhältnis
%
0 80
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 und
> 12
0 % 2 % 1 % 1 % 4 %
14 %
8 % 11 % 12 %
1 % 5 % 73 %
Bild 13: Prozentuales Verhältnis der ausgetauschten zur installierten Fläche innerhalb der Al- tersklassen (Summe ungleich 100 %)
Die Darstellung in Bild 13 liest sich wie folgt:
Alle Abfallkessel sind älter als 1 Jahr und haben zusammen 21.300 m² (Bild 12). Im ersten Betriebsjahr aller Kessel (seit 1999) wurden insgesamt 82 m² oder 0,4 % dieser Gesamtfläche des 1. Jahres ausgetauscht. 981m² der Abkleidungsfläche sind 12 Jahre oder älter. Dies bedeutet, dass die 719 m², die im 11. oder 12. des Betriebskalenders ausgetauscht wurden 73 % der Fläche dieser Altersklasse sind.
Der zu 100 % fehlende Flächenanteil in dieser Klasse bedeutet, dass dieser Anteil ent- weder noch original ist oder bereits in einer früheren Periode (Klasse) getauscht wurde.
Bildet man die Altersklassen in nur 2 Stufen, kann man sagen, dass die Flächen aller Kessel die z.B. 7 Jahre oder jünger sind, nur zu 10 % ausgetauscht wurden.
Flächen in Kesseln die 7 – 13 Jahre sind, wurden zu 61 % getauscht.
Ungefähr bei 8,5 Jahren liegt heute die Klassierungsgrenze, die ein statistisches 50/50-Verhältnis zwischen Austausch- und Originalabkleidungsfläche erzeugt.
4.2.3. Andere Einflussgrößen In der Datenbank wurden relativ viele Daten zur Abkleidung und den Betriebsbe- dingungen erfasst. Ziel war es, bei der Erfassung der Daten nach möglichst vielen Eigenschaften Clustern zu können, um dann daraus Rückschlüsse auf das Verschleiß- verhalten ziehen zu können.
Daten, die für alle Anlagen gleich sind und nicht stark variieren, sind eigentlich nur der Einbauort, also Kesselwand und die Einbaulage.
18 %
15 %
12 % 20
15
10
5
Verschleißrate
%
17 %
Vorderwand Rückwand/
Trennwand zum 2. Zug linke
Seitenwand rechte
Seitenwand 0
Bild 14: Einfluss der Kesselwand auf die klassenspezifischen globalen Verschleißraten
7 %
15 % 30
25 20 15 10 5 Anteil
%
27 %
0
senkrechte Einbaulage an lotrechter Wand liegende Einbaulage
hängende/überhängende Einbaulage
Bild 15: Prozentualer Anteil des Austausches bezogen auf die Flächen nach Einbaulage
Die Betrachtung der Rohrwandtemperatur im Verhältnis zur globalen Verschleißrate zeigt aber beim derzeitigen Datenbestand die Grenzen der Statistik auf. Man könnte eine klare Tendenz, dass sehr kalte <= 250 °C und sehr heiße Kessel > 300 °C überpro- portional vom Verschleiß betroffen sind, ablesen. Dies ist aber durch das Betriebsalter sehr stark überlappend beeinflusst. Das Einbaualter kann nicht gleichzeitig abgegrenzt werden, da sonst die Datenbasis zu eng wurde, beeinflusste z.B. die relativ heiße Anlage Schwandorf MK 1-3 aber mit 12 Jahren dieses Ergebnis zu 100 %.
Aufgrund der guten Haltbarkeit des Systems und der daraus resultierenden geringen Schadensfläche und des darauf bezogenen geringen mittleren Alters der Flächen war es nicht weiter sinnvoll, andere Eigenschaften in Klassen zu analysieren.
5. Bewertung der Lebensdauerstatistik
Aus den ermittelten Zustelldaten lassen sich zwei Effekte ablesen, die in der aktuellen Geschichte des Plattensystems tatsächlich durchlaufen wurden.
Im 2. Betriebsjahr ist eine überraschend hohe Austauschrate aufgetreten, die man aus dem weiteren Verlauf sonst nicht erklären kann. Der Ausreißer ist durch einen kon- kreten Fehler in der Plattenfertigung verursacht, die trotz aller Vorsicht von einem Hersteller ausgeliefert worden sind. Diese Platten wiesen chargenweise zu hohe Oxi- dationswerte auf. Dies führte zu einem Austausch einzelner, oberflächlich geschädigter Platten im geplanten Revisionsturnus, wobei im Betrieb immer die Schutzfunktion des System aufrechterhalten blieb.
Der zweite Anstieg der gegen statistische Gleichverteilung oder Streuung spricht, ist der Anstieg im 5. bzw. 6. Betriebsjahr.
In einer Anlage mit drei Kesseln wurde ein für JuSyS-Air neuer Aspekt festgestellt. Nach etwa 5 Betriebsjahren wurde Korrosion an Ankern gefunden, was für das System zu einem ungewöhnlich frühzeitigen Austausch der Platten führte, obwohl diese in einem annähernd neuwertigen, sehr guten Zustand waren. Die Verteilung der angegriffenen Anker war ungleichmäßig, so dass nur ein großflächiger Austausch sinnvoll war.
Betreiberseitig war gut sichergestellt, dass alle Parameter des Systems eingehalten wur- den. Jünger+Gräter führte und führt derzeit noch mit verschiedenen Parteien Untersu- chungen durch, um dieses Phänomen abschließend zu verstehen. Insbesondere sollen die Randbedingungen festgestellt werden, warum sich einzelne Anlagen bzw. Kessel anders verhalten als der große Rest. Auch diese statistische Erhebung ist ein Bestandteil dieser Untersuchungen, um über die große Summe der eingebauten JuSyS Air-Flächen Korrelationen zu den allgemeinen Betriebsbedingungen und Kessel-Parametern zu ermitteln. Es erhärtet sich der Verdacht, dass die Druck- bzw. Belüftungssituation um die Anker herum unter bestimmten Bedingungen nicht ausreichend ist. Ein Eindringen von Schadgasen konnte partiell nicht ausreichend unterbunden werden.
Es gibt mehrere Theorien, welche verfolgt werden, aber noch nicht abschließend belegt sind.
6. Fazit
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das hinterlüftete Plattensystem JuSyS Air auch über eine sehr lange Periode betrachtet den hohen Erwartungen des Marktes mehr als gerecht werden kann. Bis zum 7. Jahr wurden nur etwa 10 % der installierten Flächen ausgetauscht. Die Austauschrate über alle Anlagen des Bestandes betragen derzeit global nur 15 % der Gesamtfläche. Die statistische Bewertung einer Fläche von etwa 21.300 m² zeigt derzeit Haltbarkeiten im statistischen Mittel von 8,5 Jahren. Einzeler- gebnisse bis über 12 Jahre Einsatzdauer (Schwandorf, Burgkirchen) liegen vor.
7. Literarturverzeichnis
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Die Deutsche Bibliothek – CIP-Einheitsaufnahme Energie aus Abfall – Band 10
Karl J. Thomé-Kozmiensky, Michael Beckmann.
– Neuruppin: TK Verlag Karl Thomé-Kozmiensky, 2013 ISBN 978-3-935317-92-4
ISBN 978-3-935317-92-4 TK Verlag Karl Thomé-Kozmiensky
Copyright: Professor Dr.-Ing. habil. Dr. h. c. Karl J. Thomé-Kozmiensky Alle Rechte vorbehalten
Verlag: TK Verlag Karl Thomé-Kozmiensky • Neuruppin 2013
Redaktion und Lektorat: Professor Dr.-Ing. habil. Dr. h. c. Karl J. Thomé-Kozmiensky, Dr.-Ing. Stephanie Thiel, M.Sc. Elisabeth Thomé-Kozmiensky
Erfassung und Layout: Petra Dittmann, Sandra Peters,
Martina Ringgenberg, Ginette Teske, Ulrike Engelmann, LL. M., Ina Böhme Druck: Mediengruppe Universal Grafische Betriebe München GmbH, München
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