Analyse der Standzeit-Veränderungen von Turbinenölen

Inhalt

Abkürzungsverzeichnis

Abbildungs- und Tabellenverzeichnis

Einleitung

1 Öl – Das schwarze Gold
1.1 Rohölvorkommen und Zusammensetzung
1.2 Grundöle als Basis für Schmierstoffe
1.3 Das fertige Produkt: Schmierstoffe
1.4 Tribologie

2 Turbinen – die Giganten der Maschinen
2.1 Turbinenarten
2.2 Wirkungsgrade und Einsatzgebiete

3 Problem und Ziel
3.1 Darstellung des Problems
3.2 Zielsetzung

4 Turbinen und Turbinenöle im Zusammenspiel
4.1 Typische Kennwerte von Turbinenölen
4.2 Turbinenölsorten und deren Einsatzbereiche
4.3 Die einzelnen Schritte der Schmierstoffversorgung

5 Ursachenforschung der Problemstellung
5.1 Rohölförderung und Rohölsorten
5.2 Raffination und Grundöle
5.3 Additive und das fertige Produkt
5.4 Abfüllprozess und Transportweg
5.5 Lagerung von Turbinenölen
5.6 Befüllung und Ölwechsel an einer Turbine
5.7 Kontrolle und Pflege des Turbinenöls im Einsatz
5.8 Moderne Turbinen

6 Zusammenfassung der Problematik

7 Lösungsansätze in den angesprochenen Bereichen
7.1 Die Grundöle
7.2 Moderne Turbinen
7.3 Kontrolle und Pflege des Turbinenöles im Einsatz
7.4 Die Logistikprozesse
7.5 Das Turbinenöl
7.6 Lagerung von Turbinenölen
7.7 Befüllung und Ölwechsel an einer Turbine

8 Schlussbetrachtung

Literaturverzeichnis

Eidesstattliche Erklärung

Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildungs- und Tabellenverzeichnis

Abbildung 1.1.1: Ölvorkommen 2011 laut der EIA

Tabelle 1.1.2: Die vier Gruppen von Kohlenwasserstoffen

Abbildung 1.1.3: Normal-Paraffin

Tabelle 1.2.1: Grundölgruppen nach API

Tabelle 1.3.1: Übersicht der ISO-Viskositätsklassen

Abbildung 1.3.2: Viskositätsverhalten unter Temperatureinfluss

Tabelle 1.3.3: Öltypen und entsprechende Viskositätsindex

Abbildung 1.4.1: Trockenreibung mit Verschleißpunkten

Abbildung 1.4.2: Schmierstoff als Reibungsstopper

Abbildung 2.1.1: Darstellung einer Gasturbine

Abbildung 2.1.2: Darstellung einer Dampfturbine

Tabelle 3.1.1: Kostensteigerung der Standzeitverkürzung

Tabelle 4.1.1: Anforderungen an Turbinenöle nach der DIN

Abbildung 4.2.1: Monitor eines Turbinenreglers, S. 31 Quelle: www.wassi.at

Tabelle 4.2.2: Schmierstoffe für Turbinenanlagen

Abbildung 4.3.1: Die Schritte der Turbinenbefüllung

Abbildung 5.1.1: Aufwand und Preisübersicht von Rohölen

Abbildung 5.1.2: Rohölpreisentwicklung des WTI

Abbildung 5.2.1: Mischbarkeiten von Grundölen, S. 38 Quelle: www.oelcheck.de

Tabelle 5.2.2: Anteil gesättigter Kohlenwasserstoffe im Grundöl

Abbildung 5.2.3: Ungesättigte und gesättigte Kohlenwasserstoffe

Abbildung 5.3.1: Aufbau eines modernen Schmieröls

Tabelle 5.3.2: Turbinenöle im Vergleich

Abbildung 5.4.1: Befüllung einer Turbine per Tankwagen

Abbildung 5.4.2: Befüllung einer Turbine per Gebindeware

:Abbildung 5.4.3: Marktübliche Gebinde für Turbinenöle, S. 48 Quelle: www.denios.de

Abbildung 5.4.4: Sicherheitsdatenblatt, Quelle: www.aral.de

Tabelle 5.7.1: Untersuchungsumfang für Turbinenöle

Abbildung 7.1.1: Vergleich der Grundöle in Bezug auf den TOST

Tabelle 7.1.2: Kosten-Nutzenvergleich der Grundölsorten

Abbildung 7.3.1: Unterschiedlicher Verlauf der Ölzersetzung

Abbildung 7.3.2: Tragbarer Partikelzähler, S. 69 Quelle: www.hydrotechnik.com

Tabelle 7.3.3: Wartungsplan für Laboruntersuchungen

Abbildung 7.3.4: Filtermembrane und ein verbrannter Filter, S. 71 Quelle: Varnish in Turbinenölen

Abbildung 7.3.5: Varnish an verschiedenen Stellen, S. 71 Quelle: Varnish in Turbinenölen

Abbildung 7.3.6: Entwässerungsgeräte, Quelle: www.westo.de

Abbildung 7.3.7: VMU-Elemente der Firma Hydac, S. 73 Quelle: www.hydac.com

Abbildung 7.3.8: Wirkung des VMU-Systems, S. 73 Quelle: www.hydac.com

Abbildung 7.3.9: Dielektrophoresefalle, S. 74 Quelle: www.itwm.fraunhofer.de

Abbildung 7.3.10: ELC-Reiniger der Firma Kleentek, S. 75 Quelle: www.kleentek.eu

Abbildung 7.3.11: Elektrostatische Reinigung, S. 76 Quelle: www.kleentek.eu

Tabelle 7.3.12: Kostenrechnung der Reinigungsmethoden

Tabelle 7.4.1: Wartungs- und Reinigungsplan von Lagertanks

Abbildung 7.4.2: European Cleaning Document, S. 79 Quelle: www.iat.dk

Tabelle 7.4.3: Kostenvergleich der Transportwege

Tabelle 7.5.1: Fragen- und Maßnahmenkatalog zur Turbine

Einleitung

Erdöle bzw. Rohöle werden seit Mitte des 19. Jahrhunderts kommerziell gefördert. Der Bedarf nach diesem knappen Gut ist synchron mit der Industrialisierung angestiegen. Es wird zur Herstellung verschiedener Endprodukte genutzt (Kraftstoffe, Heizöle, Schmieröle, Schmierfette, Kunststoffe und Reifen).

Schmieröle und Schmierfette bilden den Bereich der Schmierstoffe und werden unterteilt in Industrie- und Automotivschmierstoffe. Der automotive Sektor ist der mengenmäßig größere Bereich. Diese Diplomarbeit befasst sich mit den Industrieölen, im Speziellen mit Turbinenölen.

Turbinen gehören zu den größten entwickelten Anlagen. Es handelt sich um Strömungsmaschinen, die mit Gas oder einer Flüssigkeit betrieben werden.

In dieser Diplomarbeit werden Turbinen und die damit verbundenen Turbinenöle behandelt. Die Standzeiten dieser Industrieöle haben sich in den letzten Jahren reduziert. Es werden die Ursachen gesucht, aus welchen Gründen sich die Lebensdauer der Turbinenöle verkürzt haben.

Beide Bereiche werden im ersten Teil der Arbeit separat voneinander betrachtet und theoretisch erläutert. Der erste Teil dient zum grundsätzlichen Verständnis der Ölzusammensetzung und der Turbinentechniken.

Der zweite Abschnitt stellt den praktischen Einsatz und Umgang mit Turbinen und Turbinenölen dar. Die Problemstellung und Zielsetzung sind aufgeführt. Es wird dargestellt, welche Konsequenzen die verkürzten Standzeiten der Turbinenöle für alle Beteiligten haben.

Der Beitrag des dritten Teils ist der Kern der Arbeit. Die einzelnen Schritte aus dem zweiten Abschnitt werden detailliert beschrieben. Die Ursachen werden herausgefiltert.

Möglichkeiten zur Beseitigung oder Reduzierung der Probleme bilden den Abschluss der Diplomarbeit.

1 Öl – Das schwarze Gold

1.1 Rohölvorkommen und Zusammensetzung

Die Statistiken über das Ölvorkommen werden in verschiedenen Regionen der Welt gesammelt und publiziert. Wettbewerbsbranchen, bspw. die Solarenergie, sieht den Vorrat an Erdöl in sieben Jahren aufgebraucht. Die Ölförderer sprechen von regelmäßig neu entdeckten Ölfeldern und effizienteren Methoden zur Erdölgewinnung. Der britische Energiekonzerns BP sieht die Versorgung für die nächsten 54 Jahre (vgl. BP Statistical Review of World Energy June 2012) gesichert.

Bei der Bewertung von Statistiken muss unterschieden werden in Reserven und Ressourcen. Erst genannte sind technisch und wirtschaftlich förderbar. Ressourcen sind nachgewiesene Mengen, welche aber aktuell nicht gewinnbar sind. Die aktuellen Reserven werden auf ca. 217 Milliarden Tonnen geschätzt. Die Ressourcen liegen bei ca. 410 Milliarden Tonnen. Der jährliche Ölbedarf liegt bei knapp 4 Milliarden Tonnen.

Die Internationale Energie-Agentur (EIA) veröffentlichte 2011 folgende Zahlen (siehe Abb. 1.1.1) der 10 größten Ölreserven weltweit. Die angegebene Einheit Barrel entspricht einer Ölmenge von ca. 159 Ltr.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

(Abbildung 1.1.1 Ölvorkommen 2011 laut der EIA, eigene Darstellung)

Die Statistik der EIA dient als eine der Hauptprognosen über die zukünftigen Ölreserven. Das genaue Ölvorkommen ist nicht genau messbar. Kriege, Energiekrisen und politische Umwälzungen in den Ölförderungsländern führen regelmäßig zur Verknappung der verfügbaren Ölmengen.

Die genaue Zusammensetzung des Rohöls hängt von der Herkunft ab. Hauptbestandteil sind Kohlenwasserstoffe^[1]. Schwefel, Stickstoff und Sauerstoff sind weiterhin im Molekül^[2] enthalten. Kohlenwasserstoffe werden in vier Gruppen eingeteilt (siehe Tabelle 1.1.2).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

(Tabelle 1.1.2 Die vier Gruppen von Kohlenwasserstoffen, eigene Darstellung)

Schmieröle benötigen eine stabile Basis. Es eignen sich zur Herstellung die nachfolgend erläuterten Kohlenwasserstoffe.

Paraffine bezeichnet man als gesättigte Verbindungen. Dies bedeutet, dass sie keine zusätzlichen Wasserstoffatome mehr aufnehmen können. Es handelt sich um einfache Verbindungen. Sie enthalten bereits die größtmögliche Anzahl von Wasserstoffatomen. (siehe Abb. 1.1.3)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

(Abbildung 1.1.3 Normal-Paraffin, eigene Darstellung)

Iso-Paraffine haben ein wesentlich besseres Kälteverhalten wie Normal-Paraffine. Sie reagieren kaum mit anderen Stoffen und sind äußerst alterungsstabil.

Naphtene sind gesättigte Verbindungen mit einem noch besseren Kälteverhalten.

Aromaten und Olefine sind ungesättigte Verbindungen. Sie eignen sich vorwiegend zur Herstellung von synthetischen^[3] Schmierstoffen.

1.2 Grundöle als Basis für Schmierstoffe

Erdöl ist die Basis für Grundöle. Sie sind das Ergebnis eines Destillationsprozesses. Raffinerien gewinnen aus Erdöl verschiedene Produkte, z.B.: Benzin, Diesel, Schmierstoffe, Kerosin, Heizöle und Bitumen.

Grundöle gibt es in verschiedener Art und Weise. Sie unterscheiden sich in Bezug auf Viskosität^[4], Temperaturverhalten, Farbe, Alterungsstabilität, Mischbarkeit, biologische Abbaubarkeit und Produktionskosten.

Die Produzenten stellen auf Basis der Grundöle verschiedene Flüssigkeiten her. Das Prinzip ist stets in drei Hauptprozesse eingeteilt. Das Erdöl wird zuerst nach den unterschiedlichen Viskositäten getrennt. Die Konversion (Umwandlung oder Hydrocracken^[5] ) ist der zweite Schritt. Die Raffination entfernt nicht gewünschte Bestandteile und verbessert die Farbe und den Geruch.

Es entstehen die Grundöle für Schmierstoffe. Konventionelle Mineralöle, Hydrocracköle und synthetische Öle sind die Endprodukte. Zu den Mineralölen zählen die Raffinate (konventionelle mineralische Grundöle) und Hydrocracköle. Syntheseöle sind bspw. Polyalphaolefine^[6] (PAO), Synthetische Ester^[7] und Polyglykole^[8]. Diese genannten Basen für Schmierstoffe werden genutzt für die Herstellung von Motoren-, Getriebe- und Hydraulikölen. Rapsöl und natürliche Ester sind pflanzliche Öle. Sie werden vorwiegend für die Herstellung von Hydraulikölen eingesetzt. Pflanzliche Grundöle bieten den Vorteil der biologisch guten Abbaubarkeit.

Grundölgruppen nach API, dem American Petroleum Institute (siehe Tabelle 1.2.1), bieten eine marktübliche Unterteilung der auf dem Markt verfügbaren und verwendeten Grundöle.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

(Tabelle 1.2.1 Grundölgruppen nach API, eigene Darstellung)

Grundöle gleicher Basis sind zumeist untereinander ohne Komplikationen mischbar. Die Vermischung von Ölen unterschiedlicher Art kann im Gegensatz dazu negative Folgen haben.

Es kann in diesem Fall oder aber aufgrund von Unverträglichkeiten der beigemischten Additive^[9] zu technischen Problemen kommen. Die Vermischung unverträglicher Endprodukte wirkt sich wie folgt negativ aus:

1. Dichtungsverschleiß und schlechteres Verschleißschutzverhalten
2. schlechtere Filtrierbarkeit und Vermehrung von Ablagerungen
3. Ölschaumbildung, es kommt somit zu Luft im Schmierstoff

1.3 Das fertige Produkt: Schmierstoffe

Schmierstoffe bestehen aus Grundöl und Additiven/Wirkstoffen. Sie haben fünf Hauptaufgaben:

1. Schmieren (Reibung und Verschleiß vermindern)
2. Kühlen (entstehende Wärme ableiten)
3. Dichten (mechanische Dichtungen verstärken)
4. Trennen (Abtragung von Ablagerungen im Ölkreislauf)
5. Schützen (Korrosionsschutz usw.)

Grundöl wird durch die Beimischung von Additiven in seinen natürlichen Eigenschaften verändert und verbessert. Produzenten von Additiven stellen Additivpakete zusammen. Diese werden im Verhältnis von weniger als 1 % bis zu 30 % dem Grundöl beigemischt. Es entsteht durch sorgfältiges Einmischen der Additive das fertige Produkt: Schmierstoff.

Die Vielfalt der auf dem Markt verfügbaren Schmierstoffe ist riesig. Sie werden in der DIN 51 502 zusammengefasst. Die Norm beinhaltet zugelassene Kurzbezeichnungen, Kennbuchstaben, Viskositätsklassen und etwaige Kennzeichnungshinweise. Hydrauliköle werden bspw. mit dem Buchstaben „H“ gekennzeichnet, Turbinenöle mit der Buchstabenkombination „TD“. Zusatzbuchstaben erläutern die vorhandenen Eigenschaften der Öle. Turbinenöle mit dem zusätzlichen Buchstaben „L“ (L-TD) zeichnen sich durch erhöhten Schutz gegenüber Korrosion und Alterung aus. Hydrauliköle mit der vollständigen Bezeichnung HLPD haben neben diesen Eigenschaften detergierende Zusätze. Der Zusatzkennbuchstabe „D“ gibt Auskunft über die Fähigkeit des Schmieröles, eindringendes Wasser bis zu 2% aufzunehmen und in der Schwebe zu halten. Detergierende Öle gewährleisten durch dieses Vermögen einen geschlossenen Schmierstoffkreislauf.

Die Viskosität ist ein festgelegtes Kriterium. Sie ist das Maß für die innere Reibung des Öles beim Fließen und wird durch Temperatur und Druck beeinflusst. Bei Kälte ist die innere Reibung groß und die Viskosität hoch. Hitze bewirkt, dass die Reibung und die Viskosität geringer werden. Hoher Druck führt zu einem Anstieg dieser Kenngröße. Die Veränderung des Öles ist geringer wie bei Temperaturschwankungen. 100bar Druckanstieg verändern einen Schmierstoff geringer wie ein Anstieg der Temperatur um 10°C. Es müssen zudem Drücke über 400bar herrschen, damit die Viskosität sich entscheidend verändert.

Schmierstoffe des Automotiven Sektors werden in SAE-Klassen (Society of Automotives Engineers) eingeteilt. ISO-Viskositätsklassifikationen (International Organisation for Standardization – Viscosity Grade) stufen Industrieschmierstoffe in 18 Viskositäten ein (siehe Tabelle 1.3.1). Vorgeschrieben ist eine sog. Mittelpunkts Viskosität bei 40°C.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

(Tabelle 1.3.1 Übersicht der ISO-Viskositätsklassen, eigene Darstellung)

Die Abweichung des gelieferten Industrieöles darf maximal 10% von der Mittelpunktsviskosität abweichen. Die DIN 51 519 regelt die ISO-Viskositätsklassen. Jede Viskositätsklasse wird in mm²/s ausgedrückt. Die Viskosität ist kein Qualitätsmerkmal eines Schmierstoffs.

Die Veränderung des Schmierstoffs unter Temperatureinfluss ist von Öl zu Öl unterschiedlich (siehe Abb. 1.3.2). Die Kennzahl ist der Viskositätsindex (VI). Die Viskositätsveränderungen ist geringer, umso höher der Wert ist.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

(Abbildung 1.3.2 Viskositätsverhalten unter Temperatureinfluss, eigene Darstellung)

Die Abbildung 1.3.2 ist eine einfache Darstellung des Temperaturverhaltens in Form eines Viskositäts-Diagramm. Der Viskositätsindex ist ein Qualitätsmerkmal eines Schmieröles, da es wichtig ist, eine konstant gleichbleibende Viskosität zu haben. Beim Betriebsstart der Maschine darf das Öl nicht zu zähflüssig sein, da es ansonsten nicht zügig genug die zu schmierenden Stellen erreicht. Die Betriebstemperatur bewirkt einen Abfall der Viskosität. Das Schmieröl darf nicht zu dünn werden, ansonsten ist kein ausreichender Schmierfilm gewährleistet. Es kommt zu Verschleiß. Die Viskosität in Kombination mit dem Viskositätsindex ist ein relevantes Entscheidungskriterium bei der Auswahl eines Schmieröles.

Die unterschiedlichen Grundöltypen nach API unterscheiden sich in diesem Kennwert. (siehe Tabelle 1.3.3)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

(Tabelle 1.3.3 Öltypen und entsprechender Viskositätsindex, eigene Darstellung)

Druck und Temperatur sind nicht die alleinigen Gründe für die Veränderung eines Schmierstoffs in Bezug auf die Viskosität.

Ein Anstieg oder eine Absenkung kann weiterhin folgende Gründe haben:

1. Verunreinigungen sind in den Ölkreislauf gelangt.
2. Die Alterung des Schmierstoffs ist eingetreten, er ist oxidiert.
3. Verwendung eines falschen Schmieröles.
4. schützende Additive wirken nicht mehr.
5. Reinigung der Maschine mit einer zu dünnen Flüssigkeit.

1.4 Tribologie

Tribologie ist die Wissenschaft zu den Themen Reibung und Verschleiß. In der Wirtschaft entstehen jährlich enorme Kosten aufgrund dieser beiden Erscheinungen. Grundkenntnisse im Bereich der Reibungslehre sind daher für Schmierstoffanwender wichtig.

Die sog. Trockenreibung (siehe Abb. 1.4.1) ist i.d.R. unerwünscht. Es entstehen Energieverluste aufgrund von entstehender Wärme und Verschleiß. Reibung bedeutet allgemein gesprochen, die Berührung zweier Oberflächen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

(Abb. 1.4.1 Trockenreibung mit Verschleißpunkten, eigene Darstellung)

Reibung ist in den Bereichen erwünscht, wo Energie vernichtet bzw. vermindert werden soll. Der Bremsvorgang ist ein bekanntes Beispiel. Bremsen sind Verschleißteile, die regelmäßig erneuert werden müssen. Die Werkstoffe in Maschinen sollen lange halten und möglichst nicht zu schnell verschleißen. Die kritischen Punkte sind die, an denen die beiden Reibpartner ungeschützt aufeinander treffen. Es entsteht die Reibkraft. Diese Kraft wird größer entsprechend der Belastungen. Raue Oberflächen der Werkstoffe neigen zu mehr Verschleiß, da höhere Kräfte zum Verschieben notwendig sind.Ein Zwischenstoff dient dazu, die Werkstoffe zu trennen (siehe Abb., 1.4.2). Schmierstoffe eignen sich zur Trennung. Sie schmieren, trennen, dichten, kühlen und schützen dabei die gefährdeten Stellen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

(Abb. 1.4.2 Schmierstoff als Reibungsstopper, eigene Darstellung)

Die Wahl des Zwischenstoffs/Schmierstoff ist abhängig von mehreren Faktoren. Umgebungseinflüsse wie Staub, Temperatur oder Feuchtigkeit, aber auch mechanische Faktoren, wie Materialien und Oberfläche, müssen berücksichtigt werden. Die Geschwindigkeit und damit die Belastungen auf die Werkstoffe sind des Weiteren zu beachten.

Ein einfaches Beispiel dient der Verständnis. Eine Maschine benötigt Öl zur Schmierung. Die Temperaturen liegen bei über 200°C. Konventionelle Schmieröle sind für eine Temperaturspitze von bis zu maximal 150°C geeignet. Sie sind demnach auszuschließen. Syntheseöle werden bei höheren Temperaturen bis maximal 250°C eingesetzt. Eine höhere Viskosität ist für Hitze mehr geeignet. Es muss sich somit um ein zähflüssiges Syntheseöl handeln. Die Alternative ist ein Schmieröl mit Festschmierstoffen. Sie eignen sich für hohe Temperaturen bis zu 450°C. Festschmierstoffe sind Molybänsulfit, Graphit oder Teflon. Sie sind äußerst temperaturstabil und sorgen für eine Trockenschmierung. Die Stellen die nicht mehr ausreichend vom Öl geschmiert werden können, werden von den Festschmierstoffen geschützt.

Es ist demnach erforderlich alle Angaben des Einsatzortes zu wissen, um den richtigen Zwischenstoff zu wählen.

2 Turbinen – die Giganten der Maschinen

2.1 Turbinenarten

Turbinen sind Strömungsmaschinen. Sie wandeln durch Rotation die innere Energie einer Flüssigkeit oder Gas in mechanische Antriebsenergie um. Die bekanntesten Arten sind Gas-, Dampf- und Wasserturbinen. Strömungsmaschinen kennzeichnen sich durch das jeweils genutzte Arbeitsmedium.

Die Gasturbine ist nur ein Teil der ganzen Maschine. Sie besteht prinzipiell aus einem Verdichter/Kompressor, einer Brennkammer und der Turbine. Der Kompressor saugt Luft an (siehe Abb. 2.1.1) und verdichtet sie. Er leitet sie daraufhin in die Brennkammer ab, wo sie mit einem hinzugefügten bzw. eingespritzten Brennstoff verbrannt wird. Das Ergebnis sind Verbrennungsgase mit einer Temperaturspitze von bis zu 1500°C, welche dann mit hoher Geschwindigkeit in die Turbine strömen und diese antreiben. Die Strömung der Gase wird in diesem Bereich verzögert, um die Strömungsenergie in mechanische Energie umzuwandeln. Die hergestellte Energie wird zum Teil für den Betrieb des Verdichters genutzt. Der größere Anteil dient jedoch als nutzbare Energie. Die Effizienz einer Gasturbine ist umso größer, je höher die Einlauftemperatur der Verbrennungsgase ist.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

(Abbildung 2.1.1 Darstellung einer Gasturbine; Quelle: www.bdew.de)

Die Dampfturbine baut auf der bekannten Wasserturbine auf. Das Arbeitsmedium ist nicht Wasser, sondern Dampf. Ein Dampfstrahl aus einer festen Düse trifft auf ein Laufrad. Fest integrierte Leitschaufeln befinden sich vor den Laufrädern bzw. Laufschaufeln. Diese leiten das verwendete Arbeitsmittel optimal auf die Laufräder. Der Dampf wird in einem Dampfkessel erzeugt, indem z.B. Kohle oder Gas verbrannt wird. Es herrschen unterschiedliche Druckverhältnisse vor und hinter der Turbine. Drücke von 250 bar werden erreicht. Der Druck vor der Turbine ist hoch, hinter der Turbine niedrig. Dieser Unterschied herrscht, damit ein Druckgefälle entstehen kann. Bei Durchfluss des Dampfes durch die Turbine gibt er somit kinetische Energie^[10] an das Laufrad ab. Im Kondensator wird die Temperatur des Dampfs gesenkt. Der Kreislauf schließt sich, nachdem der Dampf kondensiert wird und über eine Pumpe wieder zurück in den Dampfkessel zurückgeführt wird.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

(Abbildung 2.1.2 Darstellung einer Dampfturbine; Quelle: www.bdew.de)

2.2 Wirkungsgrade und Einsatzgebiete

Der Wirkungsgrad bei der Gasturbine ist umso höher, je höher die Turbineneintrittstemperatur der Brenngase und die Druckverhältnisse in der Turbine sind. Bei Dampfturbinen wird die Wirkung effektiver, je höher die Temperatur des Frischdampfes im Verhältnis zu niedrigen Gradzahlen des Austrittdampfes ist.

Der Wirkungsgrad im Bereich von Kraftwerken wurde durch die Entwicklung von GuD-Kraftwerken verbessert. Sie werden seit den 70er Jahren eingesetzt und sind die Kombination eines Gas- und Dampfkraftwerkes. Sie ermöglichen eine sehr gute Verwertung der Brennstoffe, so können rund 60% der eingesetzten Energie in Strom umgewandelt werden. Gasturbinen erzielen alleine einen Wirkungsgrad von aktuell maximal 46%; Dampfkraftwerke erreichen maximal 43%. Herkömmliche Wärmekraftwerke und Kernkraftwerke erzielen gerade einmal etwa 35% (vgl. Verivox / Thema: Gud-Kraftwerk).

Die Prinzipien von Turbinen werden in vielen weiteren Bereichen - neben Kraftwerken - zur Energiegewinnung eingesetzt.

Gasturbinen dienen in der Luftfahrt sowie beim Militär oftmals als Antriebsaggregat. Militärschiffe, aber auch Panzer werden mit dem Prinzip dieser Turbinenart bewegt. Propeller bei Helikoptern werden mit der Energie aus Gasturbinen mit Energie versorgt und sorgen für die Flugfähigkeit der Hubschrauber. Jets haben sog. Strahltriebwerke. Der Unterschied zwischen den beschriebenen Gasturbinen und eines Kraftwerkes liegt im Handling. Turbinen bei Helikoptern, Jets etc. sind mobile Geräte. Kraftwerksturbinen sind stationäre Großanlagen.

Dampfturbinen werden kaum noch als Antriebsaggregat eingesetzt. Sie wurden in diesem Bereich fast vollkommen durch Gasturbinen oder Dieselmotoren ersetzt. Man findet sie ausschließlich in unterschiedlichen Kraftwerksarten, wie Atomkraftwerken und Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen. Gasturbinen lösen Dampfturbinen mehr und mehr ab. Sie sind in Bezug auf den Wirkungsgrad effektiver.

Wasserturbinen werden eingesetzt in Wasserkraftwerken. Die Pelton-, Kaplan- und Francis-Turbinen sind die bekanntesten Alternativen. Sie werden in der Diplomarbeit nicht näher betrachtet.

3 Problem und Ziel

3.1 Darstellung des Problems

Turbinen benötigen unterschiedliche Öle und Fette, wobei Turbinenöle den größten Anteil haben. Die Ziele und Kriterien bei der Auswahl sind vielfältig. Ein sehr gutes Demulgiervermögen, d.h. die Trennung des Ölkreislaufs von Wasser, ist Voraussetzung für ein qualitativ gutes Turbinenöl. Das Eindringen von Luft in den Kreislauf ist nicht erwünscht. Wasser und Luft müssen aus dem Kreislauf ferngehalten werden, sie gefährden den Schmierfilm. Diese Aufgaben obliegen dem eingesetzten Turbinenöl. Die Oxidationsstabilität ist des Weiteren entscheidend bei der Wahl des Schmierstoffes. Sie spiegelt die Alterungsbeständigkeit des Turbinenöles dar.

Die Problematik dieser Diplomarbeit ist die Reduzierung der Standzeiten von Turbinenölen, d.h. diese Öle müssen seit ca. 2 bis 3 Jahren in kürzeren Intervallen gewechselt werden. Die Ursache bzw. Ursachen sind noch nicht genau definiert. Es handelt sich bei den betrachteten Turbinen sowohl um Gas-, Dampf- und Wasserturbinen, wobei der letzte Bereich eher zu vernachlässigen ist. Die Turbinenölvolumen liegen bei 1000Ltr. bis zu großen Anlagen mit 60000Ltr. Volumen. Die eingesetzten Schmieröle wurden offiziell nicht verändert. Das Klima hat sich auf der ganzen Welt verändert, die Ausmaße auf das Turbinenöl sind aber nicht relevant. Die Ursachen sind in anderen Bereichen zu suchen.

Eine relevante Angabe auf Produktdatenblättern von Turbinenölen ist der TOST Test^[11] nach ISO 4263. Diese Kennzahl gibt die Oxidationsstabilität von Schmierölen an. Der Wert wird in „Standzeit in Stunden“ ausgedrückt. Konventionelle Turbinenöle erreichen nach diesem Test ca. 5000 Betriebsstunden. Hydrocrackprodukte und synthetische Öle werden zum Teil mit über 10000 Betriebsstunden ausgewiesen.

Eine Turbine mit einem Volumen von 10000Ltr. Turbinenöl auf konventioneller mineralischer Ölbasis dient als Beispiel für eine simple Kostenaufstellung.

- Der Literpreis liegt bei € 2,20.
- Die Auslastung der Turbine im Jahr beträgt 8000 Stunden.
- Die Standzeit des Turbinenöles reduziert sich um 20%. (genaue Zahlen sind aktuell nicht messbar)

Ein enormer Kostenfaktor für den Betreiber. (siehe Tabelle 3.1.1)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

(Tabelle 3.1.1 Kostensteigerung der Standzeitverkürzung, eigene Darstellung)

In der Rechnung sind Kosten für ansteigende Kontrollen, höheren Pflegeaufwand und Kosten für Logistik nicht enthalten. Stetige Preiserhöhungen auf dem Schmierstoffmarkt und ansteigender Verschleiß der Turbine sind nicht berücksichtigt. Man erkennt auf 5 Jahre gesehen eine Kostensteigerung von € 44.000,- und auf 10 Jahre entsprechende Verdopplung der Kosten.

Die Schmierstoffhersteller werben seit jüngster Vergangenheit mit sogenannten Premiumprodukten auf Basis der Gruppe II und III Grundöle. Nach dem o.a. TOST-Test werden hier Standzeiten von über 10000 Betriebsstunden mit der Ölsorte erzielt.

Der Konflikt für den Betreiber und den Lieferanten besteht darin, dass das bis vor ein paar Jahren eingesetzte Turbinenöl gut genug war. Die erzielten Standzeiten waren wirtschaftlich und ein konventionelles Turbinenöl konnte bis zu 20 Jahre bei entsprechender Pflege und Kontrolle eingesetzt werden. Beide Parteien stehen vor der Wahl, das neue Premiumprodukt zu einem höheren Marktpreis oder aber das altbewährte Produkt mit kürzeren Standzeiten laut den Angaben zu nutzen.

3.2 Zielsetzung

Dieser Konflikt steht im Fokus dieser Diplomarbeit. Die möglichen Ursachen der Standzeitverkürzung von Turbinenölen werden unter verschiedenen Blickwinkeln betrachtet. Die Ölförderung ist der Beginn, schrittweise wird der Weg bis hin zur Befüllung der Turbine und der Pflege des Öles betrachtet.

Veränderungen in den einzelnen Teilabschnitten werden dargestellt. Lösungsansätze werden entwickelt und entsprechend, wenn möglich, Kosten und Aufwand gegenüber gestellt. Die neu entwickelten Premiumprodukte und Syntheseöle werden betrachtet und dienen zudem als wirtschaftlicher Vergleich.

Das Resultat dieser Arbeit soll es sein, die Ursachen für die Standzeitreduzierung zu finden und daraus die wirtschaftlichste Lösung unter Beachtung verschiedener anderer Einflüsse für die Betreiber und Dienstleister im Bereich der Turbinen und Turbinenöle zu entwickeln.

4 Turbinen und Turbinenöle im Zusammenspiel

4.1 Typische Kennwerte von Turbinenölen

Turbinenöle haben die folgenden vier Hauptaufgaben

- Lagerschmierung in den Gleitlagern der Hauptwelle
- Kühl- und Wärmeträgeröl^[12]
- Getriebeöl in mechanischen Getrieben
- Kraftübertragungsöl, sowie Hydrauliköl

Die Mindestanforderungen an Turbinenöle regelt die Norm DIN 51 515. Sie wird in 2 Teile entsprechend der Anforderungen eingeteilt.

1. Teil: Turbinenöle TD für normale thermische Beanspruchungen

2. Teil: Turbinenöle TG für erhöhte thermische Beanspruchungen

Die Bezeichnung eines Turbinenöles nach der DIN mit der ISO Viskositätsklasse 46 lautet „TD 46“. Der Buchstabe „P“ wird ergänzt, wenn das Produkt erhöhten Verschleißschutz beinhaltet. Ein Turbinenöl, welches diesen Anforderungen entspricht muss mindestens eine Schadenskraftstufe von 8 nach der DIN ISO 14635-1 erreichen. Die DIN-Bezeichnung ist „TDP 46“.

Der FZG-Test ermittelt das Verschleißschutzverhalten von Schmierstoffen nach dieser Norm. Die Forschungsstelle für Zahnräder und Getriebebau der Technischen Universität München hat diesen Prüfstand entwickelt. Es wird ermittelt, inwieweit der getestete Schmierstoff das sog. Fressen der Zahnradoberflächen verhindern kann. Ein ungeeignetes Schmieröl verhindert das kurzzeitige Verschweißen und Auseinanderreißen der Oberflächen nicht. Fressen tritt bei Zahnkontakt an den Spitzen durch hohe Temperaturen auf. Die Ölsumpftemperatur, die Umfangsgeschwindigkeit und die Last wirken auf diese Zerstörung der Zahnräder negativ mit ein. Das eingesetzte Grundöl plus die beigemischten Additive beeinflusst die Fresstragfähigkeit des Schmierstoffs. Im Verlauf des Testverfahrens wird die ausgeübte Last schrittweise gesteigert. Die Zahnräder werden nach jedem Schritt visuell nach Schäden untersucht. Der Test wird abgebrochen sobald erhöhter Verschleiß festzustellen ist. Der Schmierstoff wird in Schadenskraftstufen bis maximal 12 angegeben. Sind keine Schäden nach der letzten Lasterhöhung festzustellen, wird dies mit „>12“ als Testergebnis angegeben. Der Test ist für die Turbinenöle von Bedeutung, welche für nachgeschaltete Getriebe an Turbinen eingesetzt werden.

Zum Vergleich der beiden Abschnitte der DIN 51 515 werden nachfolgend die Mindestwerte an die ISO-Viskositätsklasse 46 gegenübergestellt. (siehe Tabelle 4.1.1) Die DIN-Bezeichnung des Turbinenöls dieser Viskosität für erhöhte thermische Belastungen lautet „TG 46“. Der Buchstabe „P“ wird entsprechend wie im ersten Teil ergänzt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

(Tabelle 4.1.1 Anforderungen an Turbinenöle nach der DIN, eigene Darstellung)

Die DIN-Norm schreibt eine Messung der Viskosität bei 40°C vor. In der Praxis erfolgt zum Teil eine Einstufung zusätzlich bei 100°C. Die Viskosität gibt neben der Aussage über die Fließfähigkeit, die Fähigkeit des Schmieröls an, einen Schmierfilm zwischen zwei Werkstoffen aufzubauen.

Die kinematische Viskosität wird bspw. in einem Kapillarviskosimeter ermittelt. Die Messung erfolgt bei konstantem atmosphärischem Druck. Die eingesetzten Kapillaren^[13] werden in Wärmebädern auf die gewünschte Temperatur erwärmt. Die Röhrchen haben eine angepasste Form. Das Öl wird beim Durchfließen erwärmt. Die eigentliche Messkammer befindet sich am Ende der Kapillare. Lichtschranken schalten sich ein, wenn das Schmieröl in die Kammer eintritt. Es beginnt die Zeitmessung. Eine zweite Lichtschranke stoppt die Zeit, wenn die Messkammer komplett befüllt ist und die zweite Messeinheit blockiert. Die Sekunden, die das Öl für die Messstrecke benötigt, dienen zur Ermittlung der kinematischen Viskosität.

Das Vermögen, Luft abzugeben, hängt ab von der Viskosität, der Öltemperatur, dem Öltyp, der Additivierung und weiteren Faktoren. In jedem Öl ist ein Anteil von ca. 8 bis 11 % Luft enthalten. Es kann keine Luft mehr gelöst werden, sobald das Sättigungsverhalten des Öles erreicht ist. Kavitation^[14] entsteht und die Schmiereigenschaften werden negativ beeinflusst. Lücken im Ölkreislauf erfolgen und es entwickelt sich Trockenreibung. Bei der Messung des Luftabscheidevermögens wird über eine definierte Düse unter festgelegtem Druck und über eine bestimmte Zeitspanne, Luft in das Öl befördert. Das Volumen verändert sich dementsprechend und dient als Messergebnis. Es wird aufgezeichnet, wielange das Öl benötigt, um die entstandenen Luftblasen abzuscheiden. Die Aufzeichnung erfolgt graphisch und gibt den Zeitwert an. Die Messung stoppt an dem Punkt, wo sich das Volumen des Öles nicht mehr verändert. Die Dichte benötigt man, um das Volumen zu bestimmen.

Das Schaumverhalten eines Öles verschlechtert sich fortlaufend mit der Gebrauchsdauer. Ein kugelförmiger, poröser Stein wird bei der Messung des Verhaltens in das Öl eingelassen. Luft dringt in den Schmierstoff ein und steigt in Form einer Luft-in-Öl-Dispersion^[15] nach oben. Die feinen Luftbläschen bilden an der Oberfläche Schaum. Der Stein wird nach 5 Minuten entfernt und das vorhandene Schaumvolumen wird gemessen. Eine weitere Messung erfolgt nach zehn Minuten. Dieser Vorgang ist die Routine. Sequenz II folgt anschließend, wobei das Öl auf 95°C erhitzt wird. Es erfolgt wiederholt die Messung, nachdem die Luftzufuhr abgestellt wurde und später nach zehn Minuten. Die letzte Sequenz misst das Schaumvolumen, wie beim ersten Test, bei 25°C. Es wird in diesem letzten Schritt ermittelt, ob sich das Verhalten bzgl. der Erhitzung und Abkühlung verändert hat. Die Zeit ist relevant, in der sich der Schaum vollständig aufgelöst hat.

Schaum sorgt im schlimmsten Fall dafür das in manche Bereiche der schmierstoffversorgten Maschine kein Schmierstoff gelangen kann. Es entsteht Kavitation und Korrosion. Schaum dringt zudem durch Dichtungen und kann Leckagen verursachen.

Die Dichte von Turbinenölen ist für die Auswahl nicht zwingend relevant. In der Regel liegt sie bei Schmierstoffen zwischen ca. 0,75 – 0,95 g/cm³. Wasser liegt im Vergleich bei 1,0 g/cm³. Die Dichte ist ein guter Indikator, um eventuelle Vermischungen festzustellen. Sie ist zudem notwendig, um das Volumen zu berechnen. Das Öl wird auf 15°C temperiert und in ein Rohr, welches die Form des Buchstaben „U“ ( das sog. U-Rohr ) hat, gefüllt. Das leere Laborinstrument sowie das Gefüllte, werden in Schwingung versetzt. Die Änderung der Frequenz verläuft proportional zur Dichte. Es handelt sich um das Phänomen der Resonanzfrequenz. Ein leeres Glas gibt eine andere Tonhöhe wieder, wie ein gefülltes Glas in Bewegung. Spezielle Geräte zur Messung der Dichte werten die Frequenzen aus und ermitteln die Messgröße.

Der Flammpunkt und der Pourpoint sind zwei weitere genormte Messwerte. Es kommt dazu, dass Öle beginnen, fest zu werden. Der Pourpoint als Kennwert gibt an, ab welcher Temperaturgrenze diese Änderung des Aggregatzustandes einsetzt. Der Flammpunkt zeigt an, bei welcher Temperatur es zu Verdampfungsverlusten im Öl kommt. Die entstehenden Dämpfe sind entflammbar. Die getesteten Flüssigkeiten werden entsprechend des Flammpunktes in Gefahrenklassen eingestuft. Schmieröle weisen i.d.R. einen Wert von über 200°C auf und unterliegen diesen Klassen nicht. Nach Gefahrgutrichtlinien sind Flüssigkeiten mit einem Flammpunkt über 61°C sicherheitstechnisch nicht einzustufen. Er wird in unterschiedlichen Messmethoden ermittelt, welche in der Diplomarbeit nicht weiter erläutert werden müssen.

Die Neutralisationszahl^[16] gibt wichtige Informationen über die Ölalterung und den Abbau der Additive wieder. Die Neutralisationszahl gibt in Milligramm an, wie hoch die Menge an Kaliumhydroxid^[17] sein muss, um die in einem Gramm Öl enthaltenen Säuren zu neutralisieren. Sie bilden sich im Betrieb durch Wasser und Metallabrieb. Der Anteil steigt stetig an und führt zu kontinuierlich mehr werdender Korrosion. Die genormte Messmethode nach der DIN 51558-1 sieht eine manuelle und visuelle Kontrolle vor. Ein Wasser-Lösungsmittelgemisch und ein blauer Farbindikator werden der Ölprobe beigemischt. Der Indikator ändert seine Farbe entsprechend dem Umschlagspunkt. Die Farbe wird anhand der pH-Wert Skala visuell begutachtet und das Öl bzgl. des Säureanteils eingestuft. Die Methode funktioniert jedoch nicht bei dunklen Schmierölen. Es ist keine eindeutige Farbänderung festzustellen.

Die Säurezahl wird in diesem Fall gemessen. Das Wasser-Lösungsmittelgemisch wird ohne Farbindikator, aber mit stetig steigendem Anteil von Kalilauge, dem Öl beigemischt. Die Ermittlung erfolgt durch eine Elektrode^[18]. Sie misst permanent den pH-Wert und signalisiert den Umschlagspunkt des Öles.

Oxidasche ist der unverbrennbare, nicht flüchtige Rückstand des Öles unter Luftzutritt bei 750°C bis 800°C. Ihr Anteil gibt Rückschlüsse auf das Leistungsniveau des Schmierstoffes. Bei Frischölen gewinnt man durch die Bestimmung der Oxidasche Rückschlüsse über dessen Reinheit.

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^[1] Verbindung aus Kohlenstoff- und Wasserstoffatomen

^[2] Moleküle sind elektrisch neutrale Verbindungen aus mindestens zwei Atomen gleicher Art oder meist verschiedener Elemente.

^[3] Synthese bedeutet die Herstellung von chemischen Verbindungen

^[4] Zähflüssigkeit eines flüssigen Stoffes

^[5] Hydrocracken ist ein Spaltungsvorgang bei etwa 500°C. Hierbei werden Stoffe genutzt, welche chemische Reaktionen fördern, beschleunigen oder lenken. Diese Katalysatoren verändern sich bei diesem Vorgang nicht. Bei diesem Vorgang werden die Moleküle in Bezug auf Größe und Struktur verändert.

^[6] Vollsynthetische Kohlenwasserstoffe auf Mineralölbasis. Diese bestehen aus Kohlenstoff und Wasserstoff.

^[7] Ester werden aus Alkoholen und organischen Säuren gewonnen.

^[8] Polyglykole gibt es in unterschiedlichen Varianten. Sie beinhalten neben Kohlenstoff und Wasserstoff noch Sauerstoff.

^[9] Additive werden dem Grundöl zugesetzt, um die Eigenschaften bzgl. Korrosions-, Verschleiß- und Oxidationsschutz zu verbessern. Sie beeinflussen zudem positiv das Schmutzlöse- und Schmutztrageverhalten, sowie weitere Eigenschaften.

^[10] Kinetische Energie = Bewegungsenergie. Energie entsteht aufgrund von Bewegung des Objektes. Die Maßeinheit dieser Energie ist Joule.

^[11] Der TOST-Test (Turbine Oxidation Stability Test) simuliert einen Langzeiteinsatz von Schmierölen. Resultat ist die Angabe der Standzeit in Stunden und die Aussage wann mit einer Zunahme von Alterungsprodukten zu rechnen ist.

^[12] Turbinenöle nehmen die entstehende Wärme durch Reibung und Dampf auf und tragen diese ab.

^[13] Kapillare ist ein Hohlraum. Es handelt sich um Röhrchen mit einem sehr kleinen Innendurchmesser.

^[14] Kavitation beschreibt sog. Dampfblasen in Ölen. Es handelt sich um mit Dampf gefüllte Hohlräume.

^[15] Dispersion ist ein Gemisch aus mindestens 2 Stoffen, welche sich ineinander nicht lösen

^[16] Angabe über die Menge Kalilauge, die benötigt wird, um die in einem Gramm Öl enthaltenen Säuren zu neutralisieren. Kalilauge ist eine stark alkalische, ätzende und wässrige Lösung von Kaliumhydroxid

^[17] Kaliumhydroxid ist ein weißer Stoff. Es hat die Eigenschaft Feuchtigkeit aus der Umgebung zu binden und findet Anwendung in Waschmitteln

^[18] Eine Elektrode ist ein elektrisch leitendes Material, an dem elektrischer Spannung anliegt. Es bedarf einer Gegenelektrode.