Thermodynamic modeling and experimental investigations of high temperature corrosion and oxidation due to increased power plant cycling

Thermodynamische Modellierung und experimentelle Untersuchungen der Hochtemperaturkorrosion und -oxidation aufgrund des erhöhten Lastwechsels von Kraftwerken

  • With the rapid growth of renewable energy sources (RES) in the power generation mix in accordance with the German energy transition policy (‘Energiewende’), fewer baseload coal power plants will be required. Future power generation will be supplied through decentralized power utilities such as off-shore wind parks and also through high operational flexibility of existing conventional coal power units. High operational flexibility means conventional power plants have to increase cyclic operations to cope with feed-ins from variable-RES such as wind and solar. Unlike medium and peak load power plants that can react quickly to load changes and power ramps, baseload power plants are not suited for such operations. Important technical requirements for flexible operation include among others; frequent start-ups and shut-downs, a minimum downtime, shorter startup time and short operational periods. Baseload coal power plants however do not meet these requirements. This increased cyclic mode of operation can have severe impacts on vitalWith the rapid growth of renewable energy sources (RES) in the power generation mix in accordance with the German energy transition policy (‘Energiewende’), fewer baseload coal power plants will be required. Future power generation will be supplied through decentralized power utilities such as off-shore wind parks and also through high operational flexibility of existing conventional coal power units. High operational flexibility means conventional power plants have to increase cyclic operations to cope with feed-ins from variable-RES such as wind and solar. Unlike medium and peak load power plants that can react quickly to load changes and power ramps, baseload power plants are not suited for such operations. Important technical requirements for flexible operation include among others; frequent start-ups and shut-downs, a minimum downtime, shorter startup time and short operational periods. Baseload coal power plants however do not meet these requirements. This increased cyclic mode of operation can have severe impacts on vital power plant components such as superheater and reheater tubes resulting in high temperature cyclic oxidation/corrosion especially because these plants were not designed for frequent cyclic operations. To optimize plant operations, minimize material damage and reduce operational and maintenance cost, it is therefore important to understand the oxidation and corrosion risk to plants materials associated with this flexible mode of operation. In this context, thermochemical modeling in FactSage 6.4ᵀᴹ as well as experimental investigations were carried out. For the experimental investigations, five commercial coal boiler superheater and reheater materials, namely T91, VM12-SHC, TP347-HFG, DMV304 HCu and DMV310 N were exposed for 1000 hours under discontinuous isothermal oxidation conditions and 1000 hours thermo–cyclic oxidation conditions at a metal surface temperature of 650 °C. The synthetic corrosive flue gas consisted of a mixture of CO₂, O₂, SO₂, N₂ and H₂O. The test material samples were partly covered in fly ash to investigate the effect ash deposits on the corrosion and oxidation behavior of the test materials. After exposure metallographic analysis by means of light microscopy and scanning electron microscopy (LOM and SEM–EDS) were carried out to study the oxide morphology and micro–structural properties of the materials. The oxidation kinetics (weight change) results showed significant oxide growth rates (weight gain) under cyclic oxidation conditions especially in the martensitic alloys – T91, VM12-SHC. Furthermore, metallographic analysis revealed severe oxide spallation in the ash covered sections of these alloys. The austenitic materials (TP374-HFG, DMV310 N) with the exception of DMV304 HCu showed good oxidation behavior with minimal oxide growth both under isothermal and thermal cyclic conditions. However, severe grain boundary attack and internal sulphidation were found in these alloys. DMV310 N showed the best corrosion and oxidation performance. The thermochemical modeling calculations supported the experimental results.show moreshow less
  • Bedingt durch die Zunahme der erneuerbaren Energien im Rahmen der Energiewende sind zunehmend weniger Großkraftwerke erforderlich. Zukünftig erfolgt die Bereitstellung der elektrischen Energie durch dezentrale Energieerzeuger, wie Offshore-Windparks, Solar-Parks sowie die in der Flexibilität gesteigerten konventionellen Kraftwerke. An ein konventionelles Kohlekraftwerk besteht zukünftig der Anspruch einer möglichst flexiblen Fahrweise und die Herausforderung, den bisherigen Dauerbetrieb unter Volllast auf einen Teilbetrieb mit wenigen Betriebsstunden unter Teillast absenken zu können. Für die nötige flexible Fahrweise sind, neben anderen Faktoren, eine kurze Anfahrdauer, kurze Einsatzzeiten, hochfrequente An- und Abfahrzyklen sowie minimale Stillstandzeiten sehr wichtige Kriterien, um die Betriebsweise dem schwankenden Bedarf optimal angleichen zu können. Diese Kriterien können bisher jedoch nur von Mittel- und Spitzenlastkraftwerken erfüllt werden. Durch die zunehmende Schwankungsbreite der Einspeisung von elektrischer Energie, inBedingt durch die Zunahme der erneuerbaren Energien im Rahmen der Energiewende sind zunehmend weniger Großkraftwerke erforderlich. Zukünftig erfolgt die Bereitstellung der elektrischen Energie durch dezentrale Energieerzeuger, wie Offshore-Windparks, Solar-Parks sowie die in der Flexibilität gesteigerten konventionellen Kraftwerke. An ein konventionelles Kohlekraftwerk besteht zukünftig der Anspruch einer möglichst flexiblen Fahrweise und die Herausforderung, den bisherigen Dauerbetrieb unter Volllast auf einen Teilbetrieb mit wenigen Betriebsstunden unter Teillast absenken zu können. Für die nötige flexible Fahrweise sind, neben anderen Faktoren, eine kurze Anfahrdauer, kurze Einsatzzeiten, hochfrequente An- und Abfahrzyklen sowie minimale Stillstandzeiten sehr wichtige Kriterien, um die Betriebsweise dem schwankenden Bedarf optimal angleichen zu können. Diese Kriterien können bisher jedoch nur von Mittel- und Spitzenlastkraftwerken erfüllt werden. Durch die zunehmende Schwankungsbreite der Einspeisung von elektrischer Energie, in Folge des Ausbaus regenerativer Energieerzeugung und dem Abbau von Grundlastkraftwerken, sind zunehmend auch die verbleibenden Grundlastkraftwerke auf eine flexible Fahrweise angewiesen. Diese Betriebsweise führt in kohlebefeuerten Grundlastkraftwerken zur drastischen Verkürzung der Betriebszeiten durch schneller stattfindende Materialschädigungen, wie beispielsweise Hochtemperaturkorrosion und -oxidation. Um solche Anlagen bei Reduzierung der Betriebskosten für eine flexiblere Fahrweise zu optimieren, ist es notwendig das Korrosionsverhalten der Dampferzeugerwerkstoffe genauer zu untersuchen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden sowohl thermochemische Modellierungen in FactSageᵀᴹ 6.4 als auch experimentelle Untersuchungen durchgeführt. Für die experimentellen Untersuchungen wurden fünf kommerzielle Stähle für den Einsatz in Dampferzeugern, Überhitzern und Zwischenüberhitzern ausgewählt (TP91, VM12-SHC, TP347-HFG, DMV304 HCu und DMV310 N). Diese wurden jeweils für 1000 Stunden unter isothermen sowie thermozyklischen Oxidationsbedingungen bei einer Temperatur von 650°C dem synthetischen Rauchgas ausgesetzt. Das korrosive Rauchgas bestand aus einer Mischung von CO₂, O₂, SO₂, N₂ und H₂O. Die Materialproben wurden zum Teil mit Flugasche bedeckt, um die Auswirkungen der Ascheablagerungen auf das Korrosionsund Oxidationsverhalten der Werkstoffe zu untersuchen. Die korrodierten Proben wurden licht- und rastereletronenmikroskopisch analysiert (LiMi und REM-EDX). Bei der Charakterisierung von Oxidschicht und Material wurden neben den morphologischen auch die mikrostrukturellen Eigenschaften untersucht. Bezüglich der Oxidationskinetik (Gewichtsänderungen) zeigten insbesondere die martensitischen Stähle (T91, VM12-SHC) unter thermozyklischen Bedingungen signifikante Oxidwachstumsraten (Gewichtszunahmen). Darüber hinaus konnten metallographische Analysen Oxidschichtabplatzungen in den mit Asche bedeckten Bereichen nachweisen. Hingegen wiesen die austenitischen Stähle (TP347-HFG, DMV310 N), mit Ausnahme von DMV304 HCu, sowohl unter isothermen als auch unter thermozyklischen Bedingungen ein gutes Oxidationsverhalten mit minimalem Oxidschichtwachstum auf. Dennoch konnten Korngrenzenangriffe sowie innere Sulfidbildungen in diesen Legierungen beobachtet werden. Von allen Stählen wies DMV310 N den höchsten Widerstand gegenüber Korrosion und Oxidation auf. Die thermochemische Modellierung bestätigte die experimentellen Ergebnisse.show moreshow less

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Metadaten
Author: Roger Atini Abang
URN:urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-40032
Referee / Advisor:Prof. Dr.-Ing. Hans Joachim Krautz, Prof. Dr.-Ing. habil. Sabine Weiß
Document Type:Doctoral thesis
Language:English
Year of Completion:2016
Date of final exam:2016/09/19
Release Date:2016/10/05
Tag:Flexible Kraftwerke; Hochtemperaturkorrosion; Lastwechsel; Oxidation; Thermochemische Modellierung
Cycling; Flexible generation; High temperature corrosion; Oxidation; Thermo-chemical modeling
GND Keyword:Hochtemperaturkorrosion; Kraftwerk; Lastwechselverhalten; Modellierung; Oxidation; Thermodynamik
Institutes:Fakultät 3 Maschinenbau, Elektro- und Energiesysteme / FG Kraftwerkstechnik
Licence (German):Keine Lizenz vergeben. Es gilt das deutsche Urheberrecht.