Turbinenölaufbereitung für Kernkraftwerke

Dampfturbinen in Kernkraftwerken arbeiten unter deutlich anspruchsvolleren Bedingungen als Turbinen in konventionellen Wärmekraftwerken. Das Öl, das in den Schmier-, Regel- und Wellendichtungssystemen zirkuliert, ist kein Verbrauchsmaterial, sondern ein struktureller Bestandteil der Anlage, der seine Eigenschaften während der gesamten Lebensdauer der Turbine beibehalten muss. Die Turbinenölaufbereitung für Kernkraftwerke ist daher eine kontinuierliche betriebliche Notwendigkeit und keine regelmäßig wiederkehrende Wartungsmaßnahme. Gealtertes Turbinenöl führt unmittelbar zu Lagerschäden, instabilem Reglerbetrieb, ungeplanten Anlagenabschaltungen und Verzögerungen bei der Wiederinbetriebnahme nach Wartungsarbeiten.

Die Rolle des Turbinenöls in Dampfturbinen von Kernkraftwerken

Dampfturbinen in Kernkraftwerken arbeiten unter hohen Temperaturen, hohem Druck und erheblichen mechanischen Belastungen. Das Turbinenöl erfüllt in diesen Systemen drei wesentliche Funktionen:

• Schmierung der Reibflächen zur Verringerung des Verschleißes von Lagern und beweglichen Bauteilen;
• Kühlung der Reibpartner durch Ableitung der unter hoher Belastung entstehenden Wärme;
• Funktion als Hydraulikmedium in den Turbinenregel- und Steuerungssystemen.

Um diese Aufgaben zuverlässig zu erfüllen, müssen Turbinenöle über spezifische physikalisch-chemische Eigenschaften verfügen. Sie müssen eine hohe Oxidationsbeständigkeit gegenüber Wärme, Metallkatalysatoren, Wasser, Dampf und Luft aufweisen. Außerdem müssen sie der Bildung stabiler Emulsionen bei Wasserkontakt widerstehen, geeignete Viskositäts-Temperatur-Eigenschaften besitzen und die Arbeitsflächen vor Verschleiß und Korrosion schützen. Darüber hinaus müssen die Öle chemisch inert gegenüber den Werkstoffen der Schmier- und Regelungssysteme sein, frei von abrasiven Partikeln und aggressiven Verbindungen sowie sowohl schaum- als auch feuerbeständig.

Von entscheidender Bedeutung ist die Viskositätsklasse des Öls. In den Schmier- und Regelungssystemen von Dampfturbinen in Kernkraftwerken werden Öle der Klassen ISO VG 32 (Nennviskosität 32 cSt bei 40 °C, zulässiger Bereich 28,8–35,2 cSt) und ISO VG 46 (Nennviskosität 46 cSt bei 40 °C, zulässiger Bereich 41,4–50,6 cSt) eingesetzt. Die Viskosität bestimmt die Fähigkeit des Öls, einen kontinuierlichen Schmierfilm zwischen beweglichen Bauteilen zu bilden und aufrechtzuerhalten – einen Film, der ausreichend dick ist, um Metallkontakt unter Betriebsbedingungen zu verhindern.

Ursachen und Folgen der Alterung von Turbinenöl

Der Verlust der Gebrauchseigenschaften von Turbinenöl stellt ein ernstes betriebliches Problem dar. Zu den äußeren Anzeichen einer Ölalterung gehören übermäßige Schaumbildung, Lackablagerungen auf den Innenflächen der Anlagen und an den Sieben der Öltanks sowie Instabilitäten im elektrohydraulischen Antrieb des Turbinenregelsystems. Diese Symptome können zu Lagerschäden, ungeplanten Stillständen und Verzögerungen bei der Wiederinbetriebnahme von Erzeugungseinheiten führen.

Die Verschlechterung der Ölqualität kann verschiedene Ursachen haben:

• Erschöpfung der Lebensdauer: Verbrauch der Additivpakete, Einsatz minderwertiger Produkte, chemische Zersetzung mit Bildung saurer Produkte, Gele oder fester Schlämme durch Hydrolyse oder thermische Zersetzung in Hochtemperaturbereichen der Reibungszonen;
• Wartungsfehler: Verwendung inkompatibler Farben, Dichtungsmaterialien oder Dichtmassen, Einbringen von Fremdkörpern in Anlagenräume sowie unvollständige Entleerung beim Ölwechsel;
• Konstruktionsbedingte Inkompatibilitäten: Einsatz von Ölkühlern (z. B. Typ M-540) mit Holzeinsätzen und Kupferbauteilen, die durch Phosphatester-Flüssigkeiten angegriffen werden, was zu Verunreinigungen und beschleunigter Ölalterung führt;
• Betriebliche Probleme: überhöhte Öltemperatur, Wassereintritt und Emulsionsbildung.

Bei mineralischen Turbinenölen ist die häufigste Ursache für die Ausmusterung die Überschreitung der zulässigen Säurezahl. Eine weitere Herausforderung ist der beschleunigte Verlust der Demulgierfähigkeit – besonders kritisch angesichts der häufigen Wasserkontamination in den Turbinenölsystemen von Kernkraftwerken.

Turbinenölaufbereitung für Kernkraftwerke: CMM-T-Technologie

Um die Qualität des Turbinenöls während der gesamten Lebensdauer von Dampfturbinen in Kernkraftwerken zu erhalten, wird die Turbinenölaufbereitung direkt vor Ort mit spezialisierten mobilen Anlagen durchgeführt. Diese Systeme vereinen Ölaufbereitung, Entwässerung, Entgasung und Filtration in einer einzigen Anlage und entfernen damit die wichtigsten Verunreinigungen, welche die Leistungsfähigkeit des Öls beeinträchtigen.

Die von GlobeCore entwickelte CMM-T-Turbinenölaufbereitungsanlage wurde speziell für die Betriebsbedingungen in Kraftwerken konzipiert: begrenzter Platz, Mobilität zwischen verschiedenen Einsatzorten und hohe Leistungsanforderungen. Die Anlage erreicht eine Durchsatzleistung von 4,5 m³/h bei kompakten Abmessungen von 171 × 117 × 169 cm.

Die CMM-T verfügt über eine Zweipumpenarchitektur mit einer Vakuumpumpe und einer Förderpumpe, wodurch der Platzbedarf minimiert wird, ohne die Leistung zu beeinträchtigen. Die Vakuumpumpe erzeugt Unterdruck im Vakuumbehälter und saugt das Öl durch einen Vorfilter und einen Heizkörper an. Im Inneren des Vakuumbehälters vergrößern Ringpackungselemente die wirksame Oberfläche des Ölfilms und ermöglichen dadurch eine intensive Verdampfung der Feuchtigkeit unter Vakuum. Das Kondensat wird gesammelt und abgeschieden, während das getrocknete Öl vor der Rückführung in das System mehrere Feinfiltrationsstufen durchläuft.

Wesentliche Leistungsparameter der Turbinenölaufbereitung mit der CMM-T:

• Reduzierung des Wassergehalts: von 50 ppm auf 10 ppm;
• Mechanische Partikelverunreinigung: reduziert auf ≤10 g/t;
• Durchsatzleistung: 4,5 m³/h.

Die Anlage ist mit einem vollständigen Sicherheitssystem ausgestattet: Füllstandsensoren überwachen den Ölstand im Vakuumbehälter und steuern Magnetventile, ein Schaumsensor aktiviert die Schaumentfernung, ein Durchflussrelais verhindert das Einschalten des Heizkörpers, solange kein Öldurchfluss vorhanden ist, und ein RTD-Temperatursensor mit Thermostat schützt vor Überhitzung. Das Bedienfeld verfügt über eine SPS mit Statusanzeige und Bedienelementen für den Anlagenführer. Die Anlage ist auf Rädern montiert und kann daher innerhalb des Kraftwerks leicht transportiert werden.

Verlängerung der Öllebensdauer und Erhöhung der Turbinenzuverlässigkeit

Eine rechtzeitige und systematische Turbinenölaufbereitung für Kernkraftwerke verlängert die Lebensdauer des Öls und gewährleistet die Zuverlässigkeit von Dampfturbinen über ihre gesamte Betriebsdauer. Wird die Ölaufbereitung regelmäßig gemäß den technischen Vorschriften durchgeführt, bleiben die Leistungsmerkmale des Öls innerhalb der zulässigen Grenzwerte. Dadurch verringern sich die Häufigkeit vollständiger Ölwechsel sowie die damit verbundenen Kosten und Ausfallrisiken.

Regelmäßige Ölanalysen in Kombination mit der Turbinenölaufbereitung vor Ort bieten Kraftwerksbetreibern eine wirtschaftliche Strategie zur Überwachung und Aufrechterhaltung des Zustands der Turbinenschmiersysteme während des gesamten Betriebszyklus einer Erzeugungseinheit.