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Effizienz von Turbinen zwecks Umwandlung von thermischer in elektrische Energie

Die Algorithmen sind so weit als möglich auf das experimentielle Exelsheet eingefügt worden (mit Ausnahme der Daten aus den Dampftafeln)

Grundlegendes zum Nachrechnen unvollständiger technischer Angaben

VolumenundTemperaturvonueberhitztenWasserdampf

HS-Diagramm Wasserdampf

Berechnungsalgorithmus

Gegendruckturbinen

• Kupplungsleistung PK
• Frischdampfdruck pf
• Gegendruck Pg

Durch Auftragen im hs-Diagramm bzw. der Dampftafel folgt

1. : Die Enthalpie hf
2. : die Entropie sf des Frischdampfes.

• die isentrope Enthalpiedifferenz zwischen Frischdampf und Gegendruck bestimmen.
• ys = hs-hG0 (hg0 ist die Enthalpie des Abdampfes).

• mf = Pk/ yi*(eta-mechanisch).

Kondensationsturbinen

Gegeben sind im allgemeinen:

• Kupplungsleistung PK
• Frischdampfdruck PF
• Kondensatorendruck Pc
• oder Kühlwassertemperatur t(kw).

• Enthalpiedifferenz zwischen Frischdampfzustand und Kondensatorendruck bestimmen
• Mit den Wirkungsgraden eta(i) (innere Energie) 0,82 und eta (mech) 0,99 wird wie mit der Gegendruckturbine weiter gerechnet. Abdampfnässe darf nicht 15% überschreiten.

Entnahmeturbinen

Der Hochdruckteil wird wie eine Gegendruckturbine und der Niederdruckteil wie eine Kondensationsturbine oder Gegendruckturbine berechnet.

Damppfturbineneffizienz

Folgende Turbinen werden in Betracht gezogen (Zitat)

1. Kleinturbinen mit Leistungen bis etwa 1200 kW
2. mehrstufige Dampfturbinen der Gleichdruckbauart
3. mehrstufige Dampfturbinen der Überdruckbauart
4. Kernkraftwerksturbinen (Dampf oder Heißwasserturbinen)
5. Schiffsturbinen

• Radialturbinen
• Gasturbinen (Antriebsturbinen für Schiffe und Flugzeuge)

Energieumwandlung der Enthalpie

1. Fall: r=0; in der Laufschaufel soll kein Gefälle verarbeitet werden; das Laufschaufelprofil ist symmetrisch; der Querschnitt hat gleichbleibende Abmessungen; Aus- und mEintrittsgeschwindigkeit sind gleich; z.B. Gleichdruckturbinen.
2. Fall: r=0,5; in der Laufschaufel sollen 50% des Enthalpiegefälles der Stufe verarbeitet werden; Geschwindigkeitsdreiecke von Leit- und Laufschaufeln sind gleich; in der Leitschaufel soll das gleiche Enthalpiegefälle verarbeitet werden; die gleiche Geschwindigkeitszunahme wie in der Laufschaufel findet statt; z.B. Überdruckturbinen
3. . Fall: r=0,25% und r=0,75%; in der Laufschaufel sollen 25% bzw. 75% des Enthalpiegefälles der Stufe verarbeitet werden; das Austrittsdreieck ist genauso, wie bei den zuvor behandelten Fällen

Zitat Ende, Quelle: http://www.mb.fh-stralsund.de/fss/pages/pg_lehre/stm/sm_lab_300.pdf

Industrieübliche Turbinen

KOHLEKRAFTWERK (nicht erneuerbar)

INDUSTRIEKRAFTWERK

KRAFTWERKSERWEITERUNG

Bereich BHKW Blockheizkraftwerk-Anlagen

Fig 1: Schema einer Blockheizkraftanlage. Quelle: Wikipaedia

BHKW-MOTORENANLAGE

Müllverbrennungsanlage

MÜLLVERBRENNUNG Erweiterung eines MHKW um zwei Verbrennungslinien. Leistung Dampferzeuger: je 66 t/h, Feuerungswärmeleistung: 55 MW Mülldurchsatz je Linie: 20 t/h Dampfdaten: Druck 32 bar, 320 °C Leistung Dampfturbine: 23 MWel Die Dampfturbine wurde als Entnahme-Kondensationsmaschine konzipiert. Leistung des Luftkondensators 60 MW.

Zitat Ende, Quelle http://www.ibpgmbh.de/projekte.html, download am 12.3.2010

Gas-und Dampfkombianlagen (GUD-Kraftwerke)

Bei Gas-und Dampfkraftwerken wird die Abwärme der Gasturbine auf einen Dampfkessel geleitet, um Dampf per Dampfturbine zu erzeugen (siehe Fig.2) oder etwa Rauchgas durch eine Gasturbine zu leiten.

Fig 2: Gas-und Dampfkraftwerk, Quelle Wikipaedia.

Fig,3: Fig 3: Leistungsdiagramm (Quelle: Wikipaedia Gas-Dampf Kombikraftwerk^[1]Leistungsdiagramm einer Gas-Dampf-Kombianlage])

Der außerordentlich hohe Wirkungsgrad beim GuD?-Kraftwerk wird erreicht, indem die Wärme aus dem Rauchgas dem Prozess bei hohem Temperaturniveau zugeführt wird. Die theoretische stöchiometrische Verbrennungstemperatur von Erdgas mit atmosphärischer Luft liegt bei ca. 2200 °C. Luftüberschuss verringert die Eintrittstemperaturen der Gasturbinen jedoch. Die heute maximal mögliche Gaseintrittstemperatur liegt bei 1600 °C. Die Austrittstemperaturen liegen bei ca. 650 °C.

Die Gasturbinen haben einen leistungsabhängigen Wirkungsgrad (elektrische Leistung bezogen auf zugeführte Wärme) von 35 % (10 MWel) bis 40 % (100 MWel)(Wikipaedia .

Das Abgas wird in einem Abhitzekessel zur Erzeugung von überhitztem Dampf mit einer Temperatur >500 °C genutzt. Ein großer Teil der Wärme (Enthalpiedifferenz) wird jedoch für die Verdampfung bei der druckabhängigen Sattdampftemperatur benötigt.

Bei 100 bar beispielsweise beträgt diese nur 311 °C. (Wikipaedia ^[2].

Das bedeutet, dass bei einer Anlage mit nur einer Dampfdruckstufe am Eintritt des Rauchgases in den Verdampfer (Rauchrohrkessel) die Temperaturdifferenz zwischen Rauchgas und Wasser sehr groß ist. Entsprechend hoch sind die Exergieverluste bei der Wärmeübertragung.

Rauchrohrkessel

Wasserrohrkessel

Einmal durch den Wärmeübertragungseffekt auf wenige Grade oberhalb der Verdampfungstemperatur abgekühlt, kann der restliche Wärmeinhalt des Rauchgases nur zur Speisewasservorwärmung genutzt werden (vergleiche Wärmeübertragungsdiagramm und T-S-Diagramm rechts). Die rechenaktive Original-Datei, auf den dieser Wikipaedia-Artikel sich bezieht, berechnet einen Wirkungsgrad von 52 % bezogen auf den Heizwert. Bezogen auf den Brennwert ist der Wirkungsgrad 52 %/1,11 = 47 %.

Die wasserseitige Schaltung der Kessel kann je nach betrieblichen Anforderungen sehr unterschiedlich sein. Neben den hier gezeigten Zwangumlaufkesseln sind auch Naturumlaufkessel und Zwangdurchlaufkessel (Bensonkessel) (Zwangsumlaufkessel d.h. Wasserrohrkessel mit Pumpe) üblich.

Zur Vermeidung höherer Exergieverluste, das heißt also zur Verbesserung des Wirkungsgrades, werden mehrere Druckstufen verwendet. Das Speisewasser wird entweder mit getrennten Speisewasserpumpen dem Speisewasserbehälter entnommen und zwei getrennten Speisewasservorwärmern zugeführt, oder es werden – wie in der Abbildung – die Druckstufen hintereinandergeschaltet. Die Verdampfung und Überhitzung erfolgt somit auf unterschiedlichem Temperaturniveau.

Stand der Technik bei GuD?-Kraftwerken zur reinen Stromgewinnung, das heißt ohne eine weitere Nutzung der Abwärme zu Heizzwecken oder als Prozesswärme, ist der Drei-Druck-Prozess mit Zwischenüberhitzung. Hierbei kommt meist eine Gasturbine der sogenannten F-Klasse zum Einsatz. Die elektrische Leistung dieser Anlagen liegt bei etwa 400 MW. Die Drücke betragen etwa 130 bar (Hochdruck), 30 bar (Mitteldruck) und 8 bar (Niederdruck). Der Hochdruck-Dampf wird auf etwa 570 °C überhitzt. Nach der Entspannung im Hochdruckteil der Turbine wird der Dampf zum Kessel zurückgeführt, mit dem Mitteldruckdampf vermischt und nochmals auf etwa 570 °C überhitzt. Theoretisch wären noch mehr Druckstufen zur besseren Anpassung der Dampfkennlinie an die des Rauchgases denkbar, allerdings ist der zusätzliche Investitionsaufwand dann im Verhältnis zur wärmetechnischen Verbesserung zu hoch. Der Drei-Druck Prozess mit einer Zwischenüberhitzung stellt momentan das wirtschaftliche Optimum dar. Mit einem Wirkungsgrad der Gasturbine zur Stromerzeugung von 40 % und einem Wirkungsgrad der Abwärmenutzung von 18,4 % (jeweils bezogen auf den Heizwert Hu) liegt der bisher beste erreichte Gesamt-Wirkungsgrad bei 58,4 %.

Skalierungsrechner

Bitte 1. Folie unten nachsehen:

Upload:UweChristianPlachetka/Skalierungsexperiment.zip

• / http://www.google.at
• / http://www.google.ca

^[1] Legende (zitiert von ebendort "Vereinfachte Darstellung eines idealisierten einstufigen GuD?-Prozesses im T-S-Diagramm. Beim reinen Dampfkraftprozess treten bei der Wärmeübertragung im Kessel vom Rauchgas (Brennraumtemperaturen z. B. 1700 °C) auf den Dampf (maximale Dampftemperatur meist unterhalb 600 °C) große Exergieverluste auf. Der GuD?-Prozess nutzt dieses Temperaturgefälle für den Gasturbinenprozess. Der Vorteil der hohen Temperatur der Wärmezufuhr in der Brennkammer der Gasturbine von 6g nach 1g (ca 1200 °C) ist gepaart mit der geringen Temperatur der Wärmeabfuhr im Kondensator des Dampfkreislaufes von 2d nach 3d. Auch bei der prozessinternen Wärmeübertragung der Abwärme des Gasturbinenkreislaufes in den Dampfkreislauf treten wegen der konstanten Verdampfungstemperatur (rechte Seite im T-S-Diagramm) Exergieverluste auf. Bei einer zweistufigen Anlage sind sie geringer (s. Wärmeübertragungsdiagramm). Die Abwärme aus dem Gesamtprozess ist neben der Kondensationsenthalpie des Dampfes die Rauchgasenthalpie im Punkt 4g.

^[2] http://de.wikipedia.org/wiki/Gas-und-Dampf-Kombikraftwerk)