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3D-Modellierung von Dampfturbinen

IT-Unterstützung für Planung und Revision

3D-Modellierung von Dampfturbinen

Der Zeitaufwand für die Rohrleitungsplanung einer Dampfturbine lässt sich mit Hilfe eines 3D-Modells im Vergleich zur konventionellen 2D-Schema-Planung auf ein Zehntel der ursprünglichen Planungsdauer reduzieren. Diese Erfahrung machte die österreichische TMS Turbomaschinenservice GmbH beim Wechsel auf ein neues Engineering-Werkzeug – in Verbindung mit der Erarbeitung eines hohen Standardisierungsgrades für Rohrklassen.

Bild: TMS

Die Qualität – sprich: Wirkungsgrad und Energieeffizienz – einer technisch komplexen Dampfturbine hängt in hohem Maße vom Know-how der Konstrukteure, von möglichst kleinen Bauteil-Toleranzen bei der Fertigung und der Güte der hoch belasteten Werkstoffe ab. Hochwertige Anlagen anzubieten ist keinesfalls allein die Domäne großer Konzerne: Ergänzen sich Expertise, Arbeitsweise und Firmen-Philosophie der Partnerunternehmen, kann auch eine kleinere Anbietergemeinschaft Hightech-Qualität zu vergleichsweise moderaten Kosten liefern.

Ein Beispiel dafür stellt die TMS Turbomaschinenservice GmbH in Wien dar. Die Mitarbeiter planen und übernehmen zum einen Turbomaschinen-Revisionen. Das Leistungsspektrum reicht von der Ermittlung des Maschinenzustandes bis zu Reparaturen und der Lieferung und Fertigung von Ersatzteilen; auch der Umbau hydraulisch geregelter Maschinen auf moderne Elektronik, Online-Diagnose und die Steigerung des Maschinenwirkungsgrades stehen auf dem Portfolio.

Sowohl für den Partner und Miteigentümer General Turbo S.A. in Bukarest, als auch für TMS Deutschland planen die Entwickler in Wien als Engineering-Büro darüber hinaus auch neue Dampfturbinenanlagen. Auf Basis dieses Engineerings erfolgt die Fertigung anschließend bei General Turbo. „Gegenüber den großen Herstellern, die ein Gesamtsortiment bis in die höchsten Leistungsklassen anbieten und im Vergleich zu den Billig-Anbietern punkten wir mit zwei wesentlichen Vorteilen: Unsere Turbomaschinen erreichen die hohen Wirkungsgrade der großen Konzerne, sind aber deutlich kostengünstiger“, sagt TMS-Wien-Geschäftsführer Franz Sattler.

Das Portfolio des Unternehmens reicht von Cogeneration-Anlagen zur kombinierten Gewinnung von Wärme und Strom über Fernheizwerke und Biomasseheizwerke bis zu Müllverbrennungsanlagen. Zu den Abnehmern zählen Industriebetriebe ebenso wie Kommunen; Aufträge für neue Maschinen im Leistungsbereich zwischen zehn und 40 Megawatt ordern aktuell etwa Kunden aus Zuckerindustrie, Petrochemie und Papierverarbeitung.

Komplettes Basic- und Detail-Engineering

Die Planer in Wien verantworten für diese Aufträge das komplette Basic- und Detail-Engineering. Die Entwicklungsleistungen umfassen sowohl den maschinentechnischen Teil als auch die Anlagenplanung, also die Einbindung der Dampfturbine in die periphere Anlagentechnik zur Ver- und Entsorgung der diversen Medien. Dazu arbeiten die Planer mit unterschiedlichen Werkzeugen:

Der Detaillierungsgrad der Maschinenkonstruktion ist sehr hoch, pro Maschine stehen hier 3.000 bis 5.000 Ingenieurstunden an. Die Einbindung des hohen Detaillierungsgrads der Maschinenkonstruktion wird für die Verrohrung im Software-System nicht benötigt; deshalb arbeitet der Engineering-Dienstleister bei der Rohrleitungsplanung nur mit der Außenkontur und damit einem reduzierten Level of Detail der Maschine und den Anschlusspunkten der Verrohrung.

Beim Entwurf von Dampfturbinen müssen fünf unterschiedliche Schemata geplant werden: Rohrleitungen für das Kondensat, das Kühlwasser, das Öl, den Dampf sowie die Entwässerung. Mit der richtigen Methodik können einmal geplante Systeme allerdings vielfach durch Dimensionsänderungen wiederverwendet werden. Bild: TMS

Objektorientierte -Anlagenplanung

Das dazu eingesetzte Planungswerkzeug Cadison wurde von den Software-Entwicklern nicht als reines CAD-Tool konzipiert, sondern als objektorientierte, datenbankgestützte Engineering-Lösung. Durch die integrierte Datenbasis stehen alle Projektdaten automatisch in den unterschiedlichen Anwendungsbereichen, wie P&ID, 3D-Rohrleitungsplanung, Isometrie-Generierung oder automatischer Reporterstellung unmittelbar und vollständig zur Verfügung.

Der Einsatz objektorientierter Datenmodelle für die unterschiedlichen Anwendungsbereiche gestattet dem Anwender, alle Planungsphasen zu integrieren und dadurch Zeit und Kosten zu sparen. Mit dem System werden schon ab der Akquisition Informationen erfasst und stehen in allen weiteren Projektphasen den Projektmitarbeitern direkt zur Verfügung. Dabei spielt es keine Rolle, ob für das Projekt zuerst technologische Engineering-Daten oder direkt grafische Daten erzeugt werden.

Jede Komponente ist in der Datenbank abgelegt und wird von den Usern in den jeweiligen Planungsschritten von dort abgerufen. Das beginnt bei der Angebotsabgabe und endet bei der Dokumentation. Die Komponente wird im Planungsprozess immer genauer spezifiziert, erhält beispielsweise Medieninformation, alle dies geschieht in der Datenbank und die hinterlegten, zugeordneten Informationen sind für jeden Anwender stets gleich. Die wesentlichen Vorteile bei diesem Planungsvorgehen liegen darin, dass sich der Gesamtprozess von der Planung bis zur Montage einer Anlage schneller und vor allem durchschaubarer abwickeln lässt: Änderungen sind durchgehend und mit niedrigem Zeitaufwan in allen Dokumenten realisierbar, die Software verwaltet zuverlässig auch sehr große Datenmengen und als Ergebnis kann der Planungsaufwand für neue Anlagen deutlich sinken.

Standardisierung senkt den Planungsaufwand

„Wir wünschten uns ein System, mit dem wir alle Arten von Verrohrungen planen können und mit dem wir schnell zu Ergebnissen kommen. Mit Cadison haben wir vom Schema bis zum Materialauszug eine integrierte Lösung – und das spart uns eine Menge Planungszeit ein“, sagt Geschäftsführer Sattler.

Viel Arbeit wandte der Enginnering-Betrieb für die Standardisierung von Modulen und das Einbringen der unterschiedlichen Rohrklassen auf. Davon kann das Unternehmen jetzt profitieren: „Weil unsere Anlagen stets wiederkehrende Elemente aufweisen und die Änderungen von Projekt zu Projekt relativ gering sind, ist das Engineering-Werkzeug für uns die perfekte Lösung“, erklärt Sattler. Denn bei Dampfturbinen sind fünf unterschiedliche Schemata zu planen: Das sind die Rohrleitungen für das Kondensat, das Kühlwasser, das Öl, den Dampf sowie die Entwässerung. Diese Versorgungs- und Entsorgungsleitungen sind Teil jeder Dampfturbine und müssen immer wieder neu ausgelegt werden – wobei sich aber nur die Details der Planung ändern, nicht aber deren grundsätzliche Struktur.

Das heißt: Eine einmal geplante Kondensatleitung kann immer wieder verwendet werden. Von einer Maschine zur anderen ändern sich meist nur die Dimension – beispielsweise DN 100 statt DN 300 – und die geometrische Lage. Die Ingenieure können somit aus vorhergehenden Projekten Teile der Planung übernehmen und anpassen. Sattler führt aus: „Wir haben diese wiederkehrenden Planungselemente standardisiert, packen in die Basismodule das Maximale an Varianten – und streichen im spezifischen Projekt einfach die nicht erforderliche Technik weg. Streichen ist immer einfacher und schneller als Hinzufügen.“ Diese Vorgehensweise funktioniert im Übrigen auch beim Angebotstext: Das rund 100 Seiten umfassende Basisdokument wird nach dem gleichen Prinzip projektspezifisch zusammengestrichen auf beispielsweise nur mehr 30 Seiten. „Im Vergleich zu beispielsweise einer reinen 2D-Planung brauchen wir nur etwa zehn Prozent der Zeit“, fasst Franz Sattler zusammen.