Ausführung von Kesselanlagen

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1 Ausfürung von Kesselanlagen Speisewassereintritt Econoiser 3 Dapftroel 4 Verdapfer 5 Verteiler 6 Asce 7 Kole und Verbrennungsluft 8 Überitzer 9 Friscdapfaustritt 0 Abgas Uwälzpupe Wasserabsceidung a: Naturulaufkessel b: Zwangsulaufkessel c: Zwangsdurclaufkessel (Prinzip Benson) d: Zwangsdurclaufkessel (Prinzip Sulzer) Vorlesung ETVT3 Seite

2 Vorlesung ETVT3 Seite

3 Vorlesung ETVT3 Seite 3

4 Vorlesung ETVT3 Seite 4

5 Bilanzüllen Vor Erstellen der Bilanz geeigneten Bilanzrau definieren: welce Inforation will ic eralten, welce Inforation ist verfügbar Beispiel: Kessel; Brennstoff und Luftengen zur Verbrennung, Raucgasengen werden abgefürt, eine Dapfenge wird aus einer zugefürten Wasserenge erzeugt Verdapfer: Wäreeintrag über die Raucgasseite, Aufeizen und Verdapfen von Wasser, Stabilität des Verdapfungsprozesses, evtl deswegen ein Eleent des Verdapfers separat betracten Wäreübergang, Auftretende ecanisce oder terisce Spannungen an eine Roreleent T RG c 3 p, RG Wasserteperatur Q ( T T ) H O ( 4 3 ) 4 Raucgas Dapfteperatur Q Vorlesung ETVT3 Seite 5

6 Gas- und Dapfturbinen Dapfturbine Gasturbine Vorlesung ETVT3 Seite 6

7 Kraft-Wäre-Kopplung, Dapfauskopplung Dapfturbine in KWK: Dapf wird in der Turbine nur soweit entspannt, dass ein für die Anwendung nutzbarer Dapfstro entstet, der elektrisce Wirkungsgrad ist dadurc etwas niedriger 8 MW Dapfturbine (Sieens) Vorlesung ETVT3 Seite 7

8 Hauptsatz der Terodynaik (Energieeraltungssatz): Jedes Syste besitzt eine extensive Zustandsgröße Energie, die sic durc Zufur oder Abfur von Energie über die Systegrenzen so ändert, dass ir Zalenwert nac der Zustandsänderung gleic der algebraiscen Sue aus ire Zalenwert vor der Zustandsänderung und der zubzw abgefürten Energie ist In eine abgesclossenen Syste ist die Sue aller Energieänderungen Null Für gesclossene Systee E Für abgesclossenen Systee E 0 E 0 E E Zustand eines Fluids: U = f(t,v) (innere Energie), H = f(tp) (Entalpie) Zalenwerte experientelle Erittlung kalorisce ZG Größen der zu- und abgefürten Wäre, Teperatur T, Entalpie, Entropie s, Druck p Darstellung tabellarisc (zb Dapftafel) oder grapisc, Zustandsdiagrae (-s-diagra, T-s-Diagra, p-v-diagra, -T-Diagra) Vorteil der Zustandsdiagrae: einface Handabung Nacteil der Zustandsdiagrae: weniger Genau q Vorlesung ETVT3 Seite 8

9 Kreisprozesse füren Zustandsänderungen it eine Stoff durc, der den Anfangszustand wieder erreict, also i Kreis gefürt wird, sind idealisierte Vergleicsprozesse für Kraftwerksprozesse Carnot-Prozess: Stoff ist ein ideales Gas Clausius-Rankine-Prozess: Stoff ist Wasser(dapf) Dapfturbine ---- Joule-Prozess: Stoff ist Gas (Gasturbine) Vorlesung ETVT3 Seite

10 Bescreibung der Kreisprozesse: Isoteren, Adiabaten i pv-diagra P Zustandsdiagrae idealer Gase, realer Gase, Wasser und Wasserdapf Ideales Gas: Wasser/Wasserdapf PV = const Isentrope/Adiabate pv κ =const Isentrope/Adiabate für flüssiges Wasser Wasser, flüssig Isentrope/Adiabate für Dapf P Verdapfen/Kondensieren Isotere Wasserdapf Isotere V Ein Kreisprozess entstet idealisiert durc die Kobination isoterer Expansion und Kopression, isentroper (adiabater) Kopression und Expansion Vdp W Das Kreisintegral gibt die Nutzarbeit an, die der Prozess abgeben kann V Vorlesung ETVT3 Seite

11 Carnot-Prozess i p,v und i T,s-Diagra W Vdp q Tds p q zu Adiabat/Isentrop T T o 3 Isoter q zu 4 T u q ab q ab Isentrope Kopression unter Zufur von Arbeit 3 Isotee Expansion unter Wärezufur 3 4 Isentrope Expansion unter Abgabe von Arbeit 4 Isotee Kopression unter Abfur von Wäre v s s s Vorlesung ETVT3 Seite 3

12 Carnot-Wirkungsgrad du dw dq isotere Expansion ( Wärezufur ) : dq,3 ( S S ) T o isotere Kopression ( Wäreabfur ) : dq 4, ( S S ) T u Kreisprozess eisst : du 0 0,9 dw dq,3 dq 4, Wirkungsgrad ( S dw dq,3 S )( T o T ( S S)( To T ( S S ) T u ) o u ) To T T o u Wirkungsgrad 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0, 0, Teperator To [K] Vorlesung ETVT3 Seite 4

13 Clausius-Rankine-Prozess i p,v und i T,s-Diagra W Vdp q Tds p p ax p in q zu q ab Adiabate/Isentrope 3 Isobare Isotere 4 v Isentrope Kopression von Wasser unter Zufur von Arbeit 3 Isobare Wärezufur, Verdapfung und Überitzung 3 4 Isentrope Expansion unter Abgabe von Arbeit Entspannung des Dapfes 4 Isobare Abfur von Wäre, Kondensation Anteil [%] T 00 90T o % 59% Überitzen Verdapfung q zu q zu 39% 34% W ab 0 W zu 0 Vorwärung 7% T u q 0 0% ab Druck [bar] s Vorlesung ETVT3 Seite 5

14 Joule-Prozess i p,v und i T,s-Diagra W Vdp q Tds p q zu Isobare T q zu W Turbine W Kop W Turbine W Kop p q ab p q ab v s s Isentrope Kopression (der Verbrennungsluft) unter Zufur von Arbeit 3 Isobare Expansion unter Wärezufur 3 4 Isentrope Expansion unter Abgabe von Arbeit 4 Isobare Kopression unter Abfur von Wäre (i d R nict in der Gasturbine) s Vorlesung ETVT3 Seite 6

15 Bedeutung des Dapfdruckes von Wasser i DT- Prozess I Kraftwerksprozess erzeugen die Speisewasserpupen Drücke von bar, das Wasser wird unter diese Druck verdapft und der Dapf überitzt auf Teperaturen von C In der Turbine wird der Dapf entspannt, der entspannte Dapf i Külsyste abgekült, inter der Turbine errscen durc die partielle Kondensation niedrige Drücke unteralb Atospärendruck, die Teperaturen liegen einige Grad oberalb der Teperatur des Külwassers, beispielsweise bei 5 C entsprecend 3 bar Das Kondensat wird der Speisewasserpupe zugefürt Weitere Daten sind Dapfdruckdiagraen oder tafeln zu entneen Für reale (nict ideale) Prozesse sind die Zustandsgrößen (T, P, Durcfluss) essbar und bekannt, die kaloriscen Zustandsgrößen aus Mollier-Diagraen oder den Dapftafeln ablesbar Vorlesung ETVT3 Seite 8

16 Turbinensatz der Fira Sieens Vorlesung ETVT3 Seite 9

17 Auszug aus der Wasserdapftafel (Sättigungszustand, Teperaturtafel) Teperatur Druck Spez Voluen [³/kg] Dicte [kg/³] Entalpie [kj/kg] r =TΔs [kj/kg] Entropie [kj/kg K] t [ C] T [K] p [bar] Wasser v Dapf v Dapf ρ Wasser Dapf Wasser s Dapf s ,5 0,70 0,00036,36 0, ,94 660, 83,,95 7, ,5,033 0,000437,673 0, ,06 676,0 56,9,3069 7, ,5,437 0,00059,0 0,865 46,3 69,3 30,0,485 7, ,5,9854 0, ,895, 503,7 706,0 0,,576 7, ,5,703 0, ,668, ,3 79,9 73,6,6344 7,06 Vorlesung ETVT3 Seite 0

18 Diagrae für kalorisce Zustandsgrößen (T-s-Diagra) Isobare p = konst Isotere T = konst Isentalpe Isobare Isocore V = konst Isentrope s = konst Isentalpe = konst Adiabat q 0 q rev Tds Vorlesung ETVT3 Seite 3

19 Diagrae für kalorisce Zustandsgrößen (-s-diagra) Vorlesung ETVT3 Seite 4

20 Hebelgesetz (p-v-diagra) x Dapfasse Gesatasse Flüssigkeitsasse x Gesatasse x x 0 Siedelinie Taulinie (v - v ) (v - v) ' '' Masse der siedenden Flüssigkeit V V v Masse des gesättigten Dapfes ' V V '' ' v ' v ' ' '' v Für das spez Voluen v gilt dann: '' v '' '' x '' ' xv ' x v '' v ' x v '' v ' Ebenso gilt für die spez Entropie und die spez Entalpie : s s v ' ' x x '' ' ' '' s s x s x s x '' ' ' '' x x x '' ' '' ' '' ' '' ' T s s u u p v v '' ' v v '' v v ' (Hebelgesetz) '' Vorlesung ETVT3 Seite 5

21 Offene Systee ( HS für stationäre Fließprozesse) Stationäre Fließprozesse sind durc sogenannte offene Systee it konstante Massendurcsatz ( = const) gekennzeicnet ein kalt eiß P t Wäretauscer Turbine Unter der Annae, das Wäre Q nur über die festen Grenzen des betracteten Kontrollvoluens (keine Wäreleitung in Ströungsrictung) fließt und die tecnisce Leistung P (wenn sic der Dapf in der Turbine entspannt und dabei eine Turbinenwelle in Dreung versetzt) ebenfalls über die Systegrenze fließt, dann ergibt sic für stationäre Fließprozesse: P Q aus c c g z z oder in spezifiscen Größen: q w t c c g z z Zur Abgabe tecniscer Arbeit (zb einer Dapfturbine) tragen soit die Entalpieabsenkung (Druckabsenkung), die Verinderung der kinetiscen Energie (Wasserturbine) und die Verinderung der potentiellen Energie (Wasserturbine) bei Vorlesung ETVT3 Seite 6

22 Vorlesung ETVT3 Seite 9 Einface Dapfkraftanlage (Beispiel für einen Kreisprozess) Anwendung des HS für stationäre Fließprozesse: z z g c c P Q z z g c c P Q z z g c c P Q z z g c c P Q Nutzleistung P des Prozesses: 0 ik ik P Q 0 ik ik Q P P

23 Q Ke Sceatisces Scaltbild des Rankine-Prozesses P SP 3 P T Q Ko Ideale Zustandsänderungen: Zustand : Dapf unter axiale Druck und der Teperatur To, zb 50 bar, 530 C, = 3394,8 kj/kg, s = 6,4548 kj/kgk (Dapftafel) Zustand : Entspannter Dapf, Druck ca 00 bar, Teperatur ca 46 C, it eine Anteil flüssigen Wassers Zustand 3: Wasser (Siedend), Teperatur ca 46 C, Druck 0, bar Zustand 4: Wasser, 50 bar, Teperatur geringfügig eröt (vernaclässigbar) Vorlesung ETVT3 Seite 30

24 Rankine-Prozess i T,s Diagra T T ax T in W zu q zu q ab 4-5: Wasser wird i Kessel eritzt 5-6: Wasser wird i Kessel verdapft 6-: Dapf wird überitzt Q zu = W ab s Ideale Prozesse -: In der Turbine wird isentrop entspannt, Druck und Teperatur des Gases sinken, ecanisce Arbeit wird abgegeben s =s =6,4548 kj/kgk, die Bestiung von gelingt über das Hebelgesetzt (den Dapfanteil) s s ' x 0,7739 s '' s ' =043,75 kj/kg -3: Der Dapf wird i Kondensator vollständig auskondensiert, Wäre wird an das Külwasser abgegeben 3 =9,83 kj/kg 3-4: Wasser wird isentrop auf das oe Druckniveau gebract, Arbeit wird zugefürt 4-3 = v (p -p )=5,4 kj/kg Vorlesung ETVT3 Seite 3

25 Rankine Prozess i,s-diagra P T ( ) Ideal isentrope Entspannung in der Turbine von Turbinenleistung P T ( ') Pupleistung: P SP ( ) 4 3 Wäreleistung i Kessel: Q Ke ( ) 4 Wirkungsgrad für das gewälte Beispiel: t ( ) ( ) 0,48 Wäreabfur i Kondensator Q Ko ' ( ) 3 Vorlesung ETVT3 Seite 3

26 Mittlere Teperatur der Wäreaufnae T Definition : T s s q, Tds t,ax T c T u T T T u T T o obere Prozessteperatur Vergleic Carnot/Rankine für T o 550C, p 373,5 bar, Endnässe 0,5 wird T 577K : carnot Rankine T T u o T T u ,638 0,484 Vorlesung ETVT3 Seite 33

27 T-s- und -s-diagrae für einen einfacen Dapfkraftprozess, Exergieverluste Reale Prozesse: - Die Druckeröung in der Speisewasserpupe ist it einer Entropiezunae verbunden - I Kessel treten ein Druckabfall (0 bar) und Wäreverluste auf -die Entspannung in der Turbine verläuft nict isentrop, die Entropie des Gases nit zu, die Entalpiedifferenz ist kleiner als i idealen Fall - I Kondensator wird nict die Teperatur des Külwassers erreict -I Kondensator tritt ein Duckverlust auf (0,03 bar) Mit eine Pupenwirkungsgrad von 85% und eine Turbinenwirkungsgrad von 90% errecnet sic ein Wirkungsgrad von 36,7% Vorlesung ETVT3 Seite 34

28 Verbesserung des einfacen DT-Prozesses (one scaltungstecnisce Änderungen) s Teperatureröung Druckeröung Vorlesung ETVT3 Seite 35

29 Teriscer Wirkungsgrad eines einfacen Dapfturbinenprozesses in Abängigkeit vo Friscdapfzustand sowie Gegendruck ( i = ) Der terisce Wirkungsgrad t ängt also i Wesentlicen vo Friscdapfzustand, von den Kondensationsbedingungen sowie vo inneren Wirkungsgrad der Turbinen ab: t Turbine Kessel Pupe Turbine Q zu Pupe Die einface Betractung berücksictigt allerdings noc keine inneren Turbinenwirkungsgrade, so dass reale terisce Wirkungsgrade entsprecend niedriger liegen Quelle:, Kugeler & Plippen, Springer-Lerbuc Vorlesung ETVT3 Seite 36

30 Vorlesung ETVT3 Seite 37 Anebung des ter Wirkungsgrades t durc einface Zwiscenüberitzung i Kessel t 3 4 Ke T Wirkungsg rad : teriscer Kesselleistung : Turbinenleistung : Q P Verbesserung eines Dapfturbinenprozesses

31 Beispielwerte: Duckniveau Hocdruckturbine: 50 bar Druckniveau Niederdruckturbine: 60 bar In der Zwiscenüberitzung wird die gleice Teperatur To wieder erreict Vorteil: Endnässe ist niedriger Höere Drücke sind öglic Vorlesung ETVT3 Seite 38

32 Wirkungsgradsteigerung: One Zwiscenüberitzung: H-3 und 3-4 wird genutzt Niederdruckturbine: 4-5 ersetzt 3-4 Vorlesung ETVT3 Seite 39

33 Abängigkeit des teriscen Wirkungsgrades vo Kondensatordruck und der Friscdapfteperatur Quelle:, Kugler & Plippen, Springer-Lerbuc Vorlesung ETVT3 Seite 47

34 Bergkaen A (98) - Dapfleistung 607 kg/s = 850 t/ - Friscdapf 90 bar/530 C - Zwiscenüberitzung 4,5 bar/530 C - 6 regenerative Speisewasservorwärer MW Nennleistung - t = 4,5 % - ges = 36,8 % -p Kond = 0,03 bar - Nasskültur Vorlesung ETVT3 Seite 48

35 Neue Projekte: Energie: Wäre aus der Raffinerie Quellen: Bild Wikipedia Text: Karlsruer Stadtzeitung Stadtwerke und MiRO vereinbaren Zusaenarbeit (red) Abwäre aus der MiRO-Raffinerie bei Knielingen wird in absebarer Zeit für die Heizung von Wonungen genutzt Überscüssige Wäre aus de Niederteperatur-Bereic der Raffinerie wird voraussictlic ab 00 für die Fernwäre nutzbar geact Erste Planungen seen vor, die Wäre über eine fünf Kiloeter lange Transportleitung änlic der Leitung vo EnBW-Kraftwerk a Rein zu Heizkraftwerk West der Stadtwerke zu leiten und von da in das Wärenetz der Stadtwerke einzuspeisen Allein i Werk zwei der Raffinerie fallen nac jüngeren Untersucungen rund 40 Megawatt für die Fernwäre nutzbarer Wäreleistung an Mit dieser Menge ist es öglic, ierin rund 8000 Hausalte it Wäre zu versorgen Die Möglickeit zur Einsparung von Priärenergie und dait von Kolendioxid-Eissionen rückt dieses nac Angeben der Stadtwerke und der MiRO in Deutscland einalige Modell ins Blickfeld Das Investitionsvoluen beläuft sic auf etwa 7 Millionen Euro Baubeginn soll Geneigungen vorausgesetzt - i Jar 009 sein MiRO- Gescäftsfürer Dr Hans-Gerd Lör recnet dait, die Effizienz seines Werke u etwa drei Prozent zu eröen Die Karlsruer Luft soll u Tonnen Kolendioxid entlastet werden Vorlesung ETVT3 Seite 49

36 Raffinerie Heide Die Raffinerie erzeugt ire Energie selbst: In eine GuD-Kraftwerk it Kraft-Wärekopplung Es bestet aus drei Hocdruckdapfkesseln it einer Gesatleistung von 370 Tonnen Dapf pro Stunde bei 74 bar und 50 Grad Celsius, drei Dapfturbinen und einer vorgescalteten Gasturbine Das Kraftwerk kann it Raffineriegas, verdapfte Flüssiggas und scwere Heizöl betrieben werden Das Kraftwerk arbeitet i Netzverbund, überscüssiger Stro wird eingespeist In den letzten zen Jaren wurden versciedene Modernisierungsaßnaen durcgefürt, der Wirkungsgrad des Kraftwerks optiiert, u die Ressourcen und die Uwelt zu sconen Vorlesung ETVT3 Seite 50

37 Petroceisces Kobinat Scwedt Lonverarbeitungsraffinerie,5 Mio t Roöl pro Jar Kraftwerk 4 Dapferzeuger it einer installierten Leistung von 980 t/ 4 Stroerzeuger it einer Leistung von 300 MW Energiebedarf Durcscnittlice Erzeugung 30 MW Eigenbedarf 30 MW Raffineriebedarf 0 MW Abgabe ins öffentlice Netz: 80 MW Vorlesung ETVT3 Seite 5

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