Optimierte Instandhaltung von Kraftwerkskomponenten

Druckführende Bauteile in Kraftwerken sind durch häufige Lastwechsel und starke Temperaturschwankungen hohen Beanspruchungen ausgesetzt. Um potenzielle Schäden frühzeitig zu erkennen und Wartungsmaßnahmen gezielt zu planen, hat der TÜV SÜD ein innovatives Verfahren zur berührungslosen Temperaturüberwachung entwickelt. Dieses ermöglicht eine verbesserte Zustandsbewertung und erlaubt präzisere Vorhersagen zur Lebensdauer kritischer Anlagenteile – ganz ohne Eingriff in die Komponenten.

Thermische Kraftwerke – insbesondere im Betrieb als Regelkraftwerke – arbeiten unter Bedingungen mit häufigen Lastwechseln. Diese führen zu schnellen Temperaturänderungen, wodurch sich die Innen- und Außenwände von Bauteilen unterschiedlich stark erwärmen und abkühlen. Die daraus entstehenden mechanischen Spannungen beschleunigen die Materialermüdung. Besonders betroffen sind Armaturen und Ventile, die als zentrale Steuerungselemente in Rohrleitungssystemen hohen zyklischen Belastungen ausgesetzt sind. Ihre oftmals massiven Wandstärken verschärfen das Problem zusätzlich: Je dicker die Wand, desto größer ist der Temperaturunterschied im Inneren des Bauteils bei thermischen Schwankungen.

Um den Betrieb dieser Komponenten effizienter und zustandsorientierter zu gestalten, sind flexible Überwachungssysteme und verlässliche Prognosen zu Schädigung und Restlebensdauer erforderlich. Die bisher üblichen Methoden der Temperaturüberwachung können diesen Anforderungen jedoch nicht gerecht werden. Da geeignete Alternativen bislang fehlen, setzen viele Betreiber weiterhin auf starre Wartungsintervalle – unabhängig vom tatsächlichen Zustand der Bauteile.

Kosten senken, Potenziale ausschöpfen

Eine zustandsorientierte Instandhaltung bringt klare wirtschaftliche Vorteile mit sich. Wird beispielsweise festgestellt, dass eine Armatur nur geringen Belastungen ausgesetzt ist und ausreichend belastbare Daten vorliegen, kann das Prüfintervall verlängert werden – was direkte Einsparungen ermöglicht. Besonders im dynamischen Regelbetrieb, der häufig mit höheren Einnahmen verbunden ist, bietet eine präzise Bewertung des tatsächlichen Schädigungszustands die Grundlage für einen wirtschaftlichen und sicheren Betrieb, selbst bei intensiver Nutzung der Komponenten. Muss das Intervall hingegen verkürzt werden, lässt sich dies mit der vom TÜV SÜD weiterentwickelten Überwachungsmethode gezielt und bedarfsgerecht umsetzen.

Drucktragende Bauteile werden im dynamischen Kraftwerksbetrieb durch schnelle Temperaturwechsel herausgefordert. (Quelle: Shutterstock)

Einschränkungen herkömmlicher Verfahren

Konventionelle Temperaturüberwachungen in Kraftwerken beruhen auf Sensoren, die in speziell gebohrten Öffnungen innerhalb der Bauteilwand oder im Strömungsbereich eingebaut werden. Diese Methode ist nicht nur kostenintensiv und aufwändig, sondern erschwert auch nachträgliche Änderungen – etwa die Anpassung der Sensorposition oder das Hinzufügen neuer Messpunkte.

Besonders problematisch wird es bei komplex geformten Komponenten wie Armaturen und Ventilen. Hier lassen sich die teils stark variierenden Temperaturverläufe innerhalb des Materials mit klassischen Sensoranordnungen kaum erfassen. Ein flexibel einsetzbares und anpassbares Messsystem ist entscheidend, um ein vollständiges und realistisches Belastungsbild zu erhalten.

Zuverlässige Temperaturüberwachung – ganz ohne Eingriffe

Um den Anforderungen an eine präzisere und gleichzeitig wirtschaftlichere Temperaturüberwachung gerecht zu werden, hat TÜV SÜD das klassische Verfahren grundlegend weiterentwickelt. Statt die Sensoren aufwendig in die Bauteilwand einzubringen oder im Inneren zu montieren, werden sie nun an der Außenwand angebracht. Möglich wird das durch eine verbesserte Berechnungsmethode, die es erlaubt, aus den an der Oberfläche gemessenen Temperaturverläufen das innere Temperaturprofil der Bauteile zuverlässig rückzuberechnen. Das Verfahren erfüllt alle relevanten Anforderungen der Regelwerke – und das mit hoher Genauigkeit.

Die Temperatur wird mit Sensoren invasiv oder an der Außenwand der Komponente gemessen. (Quelle: TÜV SÜD)

Diese Form der Außenwandmessung bringt mehrere entscheidende Vorteile mit sich: Sie kommt ohne bauliche Eingriffe aus, wodurch die Sensorpositionen flexibel wählbar und bei Bedarf leicht veränderbar sind. Zudem erlaubt das System eine spontane, anlassbezogene Erfassung thermischer Belastungen – etwa bei geänderten Betriebsfahrweisen. So können deren Auswirkungen unmittelbar dokumentiert und analysiert werden.

Gerade bei Armaturen und Ventilen, die besonders häufigen Druck- und Temperaturwechseln ausgesetzt sind, schafft diese Methode einen echten Mehrwert. Die verbesserte Kenntnis der tatsächlichen Belastungen im Betrieb ermöglicht eine präzisere Instandhaltungsplanung, reduziert ungeplante Stillstände und trägt so direkt zur Steigerung der Betriebssicherheit bei.

Neubauten: Gaskraftwerke als Schlüssel zur Energiezukunft

Beim Neubau moderner Gaskraftwerke eröffnet die Temperaturmessung an der Außenwand erhebliche Chancen zur Effizienzsteigerung und Kostensenkung. Aufgrund ihrer hohen Flexibilität im Betrieb eignen sich diese Anlagen besonders gut zur Deckung der Residuallast. Gerade bei anspruchsvollen Betriebsanforderungen wie der zunehmend geforderten Schnellstartfähigkeit ermöglicht das System eine präzise Überwachung und Steuerung der Bauteilbeanspruchung – und damit auch eine gezielte Kontrolle des Materialverschleißes.

Mit Blick auf den schrittweisen Ausstieg aus fossilen Energieträgern gewinnen sogenannte H2-Ready-Kraftwerke an Bedeutung. Diese Anlagen sind bereits heute so konzipiert, dass sie künftig mit Wasserstoff betrieben werden können. Eine zuverlässige und anpassungsfähige Überwachung der Temperaturbelastungen ist dabei nicht nur für den aktuellen Betrieb essenziell, sondern bildet auch die Grundlage für eine langfristig nachhaltige und sichere Energieerzeugung.

Darstellung der Temperaturverläufe zweier Anfahrvorgänge im Vergleich. Mit Transiente 2 wird das Werk schneller angefahren und die Temperatur stetig gesteigert. (Quelle: TÜV SÜD)

TSE: Längere Lebensdauer, niedrigere Kosten

TSE (Temperature Stress Exhaustion) ist ein von TÜV SÜD entwickeltes Servicepaket, das kontinuierlich Temperaturprofile auswertet und interpretiert. Anstelle starrer Inspektionsintervalle analysiert TSE die tatsächlichen thermischen Belastungen von Komponenten und ermittelt daraus die verbleibende Lebensdauer. So können Betreiber gezielt und rechtzeitig Maßnahmen ergreifen – bevor Materialermüdung zu Schäden führt.

Durch die intelligente Kombination aus präziser Temperaturüberwachung und datenbasierter Lebensdaueranalyse entstehen völlig neue Möglichkeiten für eine vorausschauende, wirtschaftlich optimierte Instandhaltungsstrategie.

Frühzeitige Erkennung von potenziellen Schwachstellen

Bedarfsgerechte Inspektion statt starrer Intervalle

Reduzierte Stillstandszeiten

Sinkende Wartungskosten durch gezielte Maßnahmen

Angepasster Betrieb, da kritische Bauteile kontinuierlich überwacht werden

TSE ist damit ein Werkzeug zur Effizienzsteigerung in der Instandhaltung. Betreiber können fundierte Entscheidungen treffen und Fahrweisen mit Blick auf die Lebensdauer der Komponenten optimieren.

Offline-Auswertung: Tieferer Einblick für gezielte Optimierung

Bei der Offline-Auswertung werden Sensordaten über längere Zeiträume gesammelt und anschließend gebündelt analysiert. Das ermöglicht eine umfassende Betrachtung des Belastungsverhaltens von Bauteilen über zusammenhängende Betriebsphasen hinweg. So lassen sich komplexe Zusammenhänge zwischen unterschiedlichen Beanspruchungen systematisch erkennen und nachvollziehen.

Ein zentraler Vorteil dieses Ansatzes liegt in der Möglichkeit, hypothetische Betriebsszenarien durchzuspielen – sogenannte „Was-wäre-wenn-Simulationen“. Dabei modellieren Expertenteams verschiedene Transientenverläufe und analysieren deren Einfluss auf die Bauteilbelastung. Gerade für Anlagen mit häufigen Lastwechseln, wie sie im Regelbetrieb typisch sind, entstehen so wertvolle Ansätze zur Optimierung der Fahrweise. Ziel ist es, das maximale Dynamikpotenzial der Anlage zu nutzen, ohne die Lebensdauer der Komponenten unnötig zu beeinträchtigen. Die gewonnenen Erkenntnisse fließen nicht nur in die betriebliche Praxis ein, sondern können auch zur Weiterentwicklung der Bauteile selbst beitragen – etwa bei geplanten Systemanpassungen.

Ein weiterer Vorteil der Offline-Auswertung ist der Einsatz komplexerer Rechenmodelle, da keine sofortige Ergebnisbereitstellung erforderlich ist. Durch feinere Rechengitter – also eine präzisere Segmentierung der Bauteilwand – lässt sich ein sehr genaues Temperaturprofil erstellen. Je kleiner die Rechenzellen, desto detailreicher das Gesamtbild – ähnlich einem hochauflösenden Mosaik. Auf dieser Basis können gezielt angepasste Prüfkonzepte entwickelt werden.

Mit dem schnelleren Anfahren (Transiente 2) geht eine niedrigere Bandbreite der Spannungen einher – das Material ermüdet langsamer als bei Transiente 1. Das schnellere Anfahren ist daher zu empfehlen. (Quelle: TÜV SÜD)

Auch technische Störungen, etwa defekte Sensoren oder Übertragungsprobleme, lassen sich dank der besseren Zugänglichkeit rasch erkennen und beheben – bevor sie die Datenqualität beeinträchtigen. Das Ergebnis: Eine belastbare, jederzeit nachvollziehbare Datenbasis.

Zusätzlich lassen sich bei Bedarf auch weitere Bauteile vorübergehend in die Analyse einbeziehen. Als Richtwert empfiehlt der VGB-Standard S-506-00-2019-02-DE eine jährliche Auswertung hinsichtlich Lebensdauerverbrauch und verbleibender Lebensdauer – eine praxisnahe Grundlage für fundierte Instandhaltungsentscheidungen.

Regulatorische Anforderungen und moderne Instandhaltung

Bei der Überwachung und Prüfung von Kraftwerkskomponenten sind gesetzliche Vorgaben wie die Betriebssicherheitsverordnung (BetrSichV) sowie technische Regeln wie die TRBS 1201 zu beachten. Diese Regelwerke lassen jedoch Raum für innovative Instandhaltungsstrategien, die auf aktuellen Technologien basieren. Durch den Einsatz realer Belastungsdaten und vorausschauender Wartungskonzepte (Predictive Maintenance) können Betreiber nicht nur die gesetzlichen Anforderungen erfüllen, sondern ihre Wartung zugleich flexibler und wirtschaftlicher gestalten.

Zukunftsorientierte Überwachung von Armaturen und Ventilen

Die Temperaturmessung an der Außenseite von Bauteilen markiert einen entscheidenden Fortschritt für die Instandhaltung kritischer Komponenten – insbesondere bei Armaturen und Ventilen. Diese Bauteile sind häufig stark beansprucht, vor allem bei schwankenden Betriebsbedingungen und großen Wanddicken. Die neue Überwachungsmethode liefert hier verlässlichere Daten für fundierte Entscheidungen.

Vor dem Hintergrund wachsender Anforderungen an Effizienz, Flexibilität und Versorgungssicherheit wird der Einsatz solcher fortschrittlichen Technologien zur Schlüsselressource. Sie schaffen die Grundlage für einen wirtschaftlichen, regelkonformen und zugleich sicheren Kraftwerksbetrieb – heute und in Zukunft.