Folien Energietechnik Dampfturbinenanlagen

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1 Folien Energietechnik Dampfturbinenanlagen Gebäude, Energie, Umweltmanagement Prof. Dr.-Ing. G. Wilhelms Wolfenbüttel, SS 2005

2 H,s-Diagramm von H 2 O 2

3 2h 2u 3h 3u 8 7h 7 6h Bild 2.10 T,s-Diagramm, zu- und abgeführte Wärmen 3

4 zugeführte Wärme 2h 2u 3h 3u 8 7h 7 6h 6 1 abgegebene Wärme Bild 2.11 T,s-Diagramm, Nutzarbeit 4

5 Bild 2.12 Hochdruck-Vorwärmer 5

6 Bild 2.14 ND-Mischvorwärmer (thermischer Entgaser) auf Speisewasserbehälter aufgesetzt 6

7 1 Speisewasserpumpe 2 Hochdruckvorwärmer 3a rauchgasbeheizte Vorwärmflächen 3b Strahlungsverdampfer 3c Überhitzer 4 Hochdruckteil der mehrgehäusigen Turbine 5 Zwischenüberhitzer 6 Mittel- und Niederdruckteil der Turbine 7 Kondensator 8 Kondensatpumpe 9 Niederdruckvorwärmer 10 thermischer Entgaser 11 Speisewasserbehälter 12 Bunker (Tagesvorrat) 13 Zuteiler 14 Mühlen 16 Brenner 15 Frischluftventilator 18 Luftvorwärmer 17 Entaschung 18 elektrischer Rauchgasfilter 20 Sauggasventilator 21 Kamin u 31 2h C B A ,w 8 8 8h 9 G 3~ 28 5u 31 5h Drehstromgenerator 24 Transformator 25 Umspanner 26 Eigenverbrauchsschine 34 Vakuumpumpe 35 Kühler Bild 2.17 Kondensations-Dampfkraftwerk 7

8 Bild 2.18 T,S-Diagramm, Kondensations-Dampfkraftwerk 8

9 1 Steilrohrstrahlungsverdampfer 1a geregelte Dampfentnahme 1b geregelte Wärmezufuhr 1c geregelte Wassernachsspeisung 2a Sicherheitsventil 2b Reservespeisewasserpumpe 2c Rückschlagklappe 2d Abschlämmung (nicht verdampfte Substanzen) 3a Kesselmanometer 3b Wasserstandsanzeige 3 Kesseltrommel 4a Überhitzer 4b Wassservorwärmer, rauchgasbeheitzt (Eko) 4c Luftvorwärmer (Luvo) Bild 2.19 Dampferzeuger 9

10 Bild 2.20 Durchflusssystem der Strahlungskessel 10

11 Bild Kombiniertes Gas- und Dampfturbinen-Heizkraftwerk 11

12 1 Gasturbine 2 Luftansaugung 3 Generator 4 Erregung 5 Kupplung 6 HD-Turbine 7 MD/HD-Turbine 8 Kondenator 9 Warenkontainer 10 Leittechnikcontainer 11 Niederspannungscontainer 12 Mittelspannungscontainer 13 Generatorabteilung 14 Gasarmaturen-Package 15 Heizöl-Package 16 Anfahreinrichtung 17 Hauptkühlwasserleitung 18 Lüftungsaggregate 19 - Notstromdiesel Bild 2.24 Einwellenanordnung von Dampf- und Gasturbine 12

13 Typenbezeichnung Leistung Turbineneintrittstemperatur Turbineneintrittsdruck Turbinenaustrittsdruck Austrittsmassenstrom Inbetriebnahme Gasturbinen V94.2 6x139 = 834 MW 1050 C 10,8 bar 1,04 bar 505 kg/s 1988/89 Dampfturbinen M30-25;N30-2x1 0-A 3x173 = 519 MW 524 C 75 bar 0,04 bar 154 kg/s 1990/91 Bild 2.25 GUD-Kondensationskraftwerk Ambarli, 1350 MW 13

14 Bild 2.26 Prozess, Kraftwerk Ambarli 14

15 Gasturbine Typenbezeichnung Leistung Turbineneintrittstemperatur Turbineneintrittsdruck Turbinenaustrittsdruck Austrittsmassenstrom V94.2 6x139 = 834 MW 1050 C 10,8 bar 1,04 bar 505 kg/s 16-stufiger Axialverdichter Silobrennkammer 4-stufige Turbine Bild 2.28 Siemens-Gasturbine, Funktionsskizze 15

16 Vormischbrenner: Durch eine Vormischstrecke wird ein homogenes Brennstoff-Luft-Gemisch erzeugt. Daraus folgt eine gleichmäßigere Temperaturverteilung und niedrige NO x -Emission reduziert. Nachteil sehr kleiner Lamda-Bereich Diffusionsbrenner: Durch Eindüsung von Wasser oder Dampf wird Flammtemperatur herabgesetzt und NO x -Emission reduziert Bild 2.31 Hybridbrenner Wird vom Start bis zum Erreichen von 85 % der Grundlast als Diffusionsbrenner um im oberen Leistungsbereich als Vormischbrenner eingasetzt 16

17 Bild 2.32 Silobrennkammer 17

18 Bild 2.33 Gasturbine, Kraftwerk Ambarli 6 Gasturbinen mit Silo-Brennkammern, in denen Hybridbrenner angeordnet sind 18

19 Bild 2.34 Dampfturbine, Kraftwerk Ambarli Rot: Niederdruck-Turbine, gelb: Hochdruck-Turbine 19

20 Bild 2.36 GuD-Heizkraftwerk Berlin Mitte, Ansicht 380 MW elektrisch MW thermisch 20

21 Bild 2.37 GuD-Heizkraftwerk Berlin Mitte, Schnitt 21

22 Leistung: Gesamtleistung, elektrisch Fernwärmeleistung Wirkungsgrad, thermisch Wirkungsgrad, elektrisch Kessel/Dampfsystem: Druckniveaus 380 MW 380 MW 89,2 % 47,4 % 2 2x140 MW Gasturbinen + 1x100 MW Dampfturbine HD-Dampf, Massenstrom 210 t/h ND-Dampf, Massenstrom 48 t/h Austrittsdruck 76,9 bar Austrittsdruck 5,4 bar Temperatur 535 C Temperatur 203 C Speisewassertemperatur 110 C Fernwärme: Medium, Druck Heißwasser 5 bar Zulauftemperatur 105 C Rücklauftemperatur 55 C Massenstrom 5838 t/h Bild 2.39 GuD-Heizkraftwerk Berlin Mitte, Leistungsdaten 22

23 Bild 2.39 GuD-Heizkraftwerk Berlin Mitte, Prozess 23

24 Bild 2.40 Gasturbine GT13E2, Kraftwerk Berlin Mitte 24

25 Turbine Ringbrennkammer EV-Brenner Brennstofflanzen Verdichter Gasturbine Typenbezeichnung Leistung ABB GT 13E2 164,3 MW Turbineneintrittstemperatur 1100 C Druckverhältnis p 2 /p 1 15 bar 21-stufiger Axialverdichter Ringbrennkammer, 72 Doppelkegelbrenner 5-stufige Turbine, 2 Lager Verstellbare Vorleitreihe Ausblasstellen nach der und 12. Stufe Bild 2.30 Gasturbine GT13E2 25

26 72 Doppelkegelbrenner Bild 2.42 Ringbrennkammer der Gasturbine GT13E2, Kraftwerk Berlin Mitte 26

27 Brennstoff Verbrennungsluft - Zwei Konushälften, axial versetzt - Durch Schlitze strömt Verbrennungsluft - Brennstoffzufuhr durch Löcher an der Rändern der Schlitze - Brennstoff-Luft-Gemisch tritt mit hoher Umfangsgeschwindigkeit aus dem Konus aus - kein mechanischer Flammerhalter erforderlich - für Gas/Öl-Mischbetrieb geeignet Bild 2.42 EV-Brenner (Environmental Burner) 27

28 Bild 2.43 Ringbrennkammer, Strömungsverlauf 28

29 Eintrömringraum 1. Anzapfung 2. Anzapfung Abdampf 4 Leitschaufelträger 36 Laufschaufelstufen Anzapföffnungen zwischen dem zweiten und dritten und dem dritten und vierten Laufschaufelträger Bild 2.44 Gegendruckturbine 29

30 Bild1.22a Braunkohle- Heizkraftwerk Cottbus Druckwirbelschichtfeuerung Fertigstellung 1999 Ca 360 MW Heizwärme, Ca 74 MW Strom 30

31 PFBC (Pressurized Fluidized Bed Combustion) Druckwirbelschichtfeuerung. Verbrennungsluft strömt aufgeladen von unter in den Feuerraum. Hier wird sie mit fein zermahlener Kohle in eine schwebende Schicht verwirbelt und verbrannt. Es ist eine spezielle Gasturbine erforderlich, die mit einer höheren Staubbelastung fertig wird! Bild1.22b Braunkohle- Heizkraftwerk Cottbus 31

32 Wirkungsgradverbesserung durch Aufsättigung der Verbrennungsluft: Zwischenkühlerwärme Niedrigtemperaturabwärme Nachkühlerwärme Die Zwischenkühler-, Nachkühler- und Niedrigtemperaturabwärme wird über einen aufsättiger Kreislauf (Verbrennungsluft wird erwärmt und gesättigt, Wasser kühlt sich ab) Dem Gasturbinenprozess wieder zugeführt. Bild 2.38 Humid-Air-Turbine (HAT)-Prozess 32

33 Bild 2.39 Kombikraftwerk 33

34 Bild 2.40 Kombikraftwerk 34

35 Bild 2.41 Verbundkraftwerk-Schaltungen des GT-Abhitzedampferzeugers 35

36 Bild 2.42 Verbundkraftwerk 36

37 In industriellen Kraft-Wärme-Anlagen Werden als Kraftmaschinen statt Strömungsmaschinen (Turbinen) auch Kolbenmaschinen (Dampfmotoren) eingesetzt. - nur für kleinere Dampfmassenströme - auch mit Sattdampf betreibbar - höherer Kupplungsleistungen als bei Turbinen Nachteile: -Verunreinigung des Triebwerkes durch Kondensat - Wärmespannungen zwischen Zylinder (300 C) und Getriebe (ölgekühlt, 60 C) Bild 2.46 Dampfmotor: Wärmesperre und Teleskop-Abdichtung 37

38 LiBr/H 2 O Dampfleistung: 59 MW P el = 5,6 MW, Heizleistung: 40 MW Kälteleistung: 12 MW Bild 2.47 Brauerei Beck, Bremen 38

39 Kernkraftwerke: Grundlastbereich, hoher Bedarf an Kühlwasser, daher an Flussläufen In den neuen Bundesländern gibt es keine mehr. Braunkohlekraftwerke: Grundlastbereich, Nähe zu Braunkohlenvorkommen: Rhein, Helmstedt, Leipzig, Lausitz Steinkohlekraftwerke: Mittellastbereich, Nähe zu Steinkohlenvorkommen: Ruhrgebiet, Saarland und an Binnenwasserstraßen und in Küstenregionen Steinkohle wird aus der ganzen Welt importiert Gaskraftwerke bzw GuD-Kraftwerke: Spitzen- und Mittellastbereich, Öl-Kraftwerke: Spitzenlastbereich, Laufwasser-Kraftwerke: Grundlastbereich, Bruttoleistung 50 kw bis 100 MW An Flussläufen in Süd- und Südwestdeutschland Pumpspeicher-Kraftwerke: Netzanfahrungen, Minutenreserve, Spitzenlast usw. Wind-Kraftwerke: Windparks bisher unter 100 MW Bild 2.48 Kraftwerke in Deutschland (Stand: 2003) 39

40 Bild 2.48 Kernkraftwerke in Deutschland (Stand: 2001) 40

41 Stoff chem. Formel molare Masse krit. Temp. krit. Druck max.zul. Temperatur Sättigungsdruck bei 30 C Sattdampfvolumen bei 30 C Eigenschaften kg/kmol C bar C bar m 3 /kg Chem. Lösungsmittel Toluol C 6 H 5 CH 3 92,14 318,6 40, ,05 5 brennbar, gesundheitsschädlich Fluorinol 100 CF 3 CH 2 OH 100,04 226,7 49, ,16 0,2 brennbar Isobutan CH(CH 3 ) 3 58,12 135,0 36, ,08 0,1 Brennstoff, leicht giftig R 717 Ammoniak NH 3 17,03 132,4 113, ,1 0,11 Reinigungsmittel, Düngemittelgrundstoff, brennbar R114 Dichlortetrafluoräthan C 2 Cl 2 F 4 170,93 145,7 32, ,61 0,05 Kältemittel, nicht brennbar R12 Difluordichlormethan CCl 2 F 2 120,92 112,0 41, ,75 0,02 Kältemittel, nicht brennbar R11 Trichlorfluormethan CCl 3 F 137,38 198,0 44, ,13 Kältemittel, nicht brennbar R113 Trichlortrifluoräthan C 2 Cl 3 F 3 187,39 214,1 34, ,55 0,24 Kältemittel, nicht brennbar Tabelle 3.1 Stoffwerte von Arbeitsmedien in ORC-Anlagen 41

42 Quelle Energieträger Temperatur mittlere Quellenleistung C kw Dieselmotoren Abgas bis 500 Gasturbinen Abgas Eisen- und Stahlindustrie Abluft bis Sonnenenergie Wasser. Thermoöl 90 bis Geothermische Energie Wasser, Dampf 90 bis 250 Petrochemische Industrie Flüssigkeit, Kondensat, Gas 120 bis Petrochemische Industrie Flüssigkeit, Wasserdampf, Gas 110 bis bis 1300 Brauereien Brüdendampf Tabelle 3.2 Energiequellen für ORC-Anlagen 42

43 fer Überhitzer Verdamp- Vorwärmer Fa. Linde, Baujahr1980/81, R 114 Gleichgewicht: gesättigte Luft, Kondensat Bild 3.5 ORC-Anlage in der Bitburger Brauerei: Energieflussdiagramm 43

44 - Enthalpiestrom der Brüdendämpfe: - Zugeführte Wärmeleistung durch Kondensation der Brüden: - Erzeugte Wärmeleistung zur Warmwasserversorgung: - Erzeugte mechanische Leistung: - elektrischer Leistungsbedarf der Hilfsantriebe einschl. Verdunstungsverflüssiger: - Eintrittstemperatur der Brüden: - Austrittstemperatur der Brüden: - Frischwasserbedarf des Verdunstungsverflüssigers: - thermischer Wirkungsgrad: 6935 kw 5465 kw 760 kw 420 kw 85 kw 89 C 25 C 10 m 3 /h? th ~6,6% 5465 kw Tabelle Anlagendaten, ORC-Anlage Bitburger Brauerei 44

45 Q zu = 5465 kw P i T Q ab Bild 3.7 ORC-Anlage in der Bitburger Brauerei 45

46 33 bar Bild 3.8 h, lg p-diagramm für das Kältemittel R 134a (CH 2 FCF 3 ) 46

47 45 bar Bild 3.9 h, lg p-diagramm für das Kältemittel R 407C (CH 2 F 2 / CHF 2 CF 3 / CH 2 FCF 3 ) 47

48 Bild 3.5 h,s-diagramm von R 12 (CCl 2 F 2 ) 48

49 3 bar Bild 3.7 T,s-Diagramm von R

50 Bild 3.6 lg p,h-diagramm von R 22 (HCClF 2 ) 50

51 Bild 3.8 lg p,h-diagramm von R 114 (C 2 Cl 2 F 4 ) 51

52 Der Kalina-Prozess wurde in den 70 Jahren von dem russischen Ingenieur Alexander-Kalina entwickelt. Im Gegensatz zum ORC-Prozess wird hier ein Stoff-Gemisch: z. B Ammoniak-Wasser verwendet. Vorteil: kein fixer Siedepunkt sondern ein Siedebereich. Dadurch bessere Wärmeübertragung und ein besserer Wirkungsgrad. Patente hält: kalifornische Fa. Exergy Lizenznehmer für Europa. Fa. Siemens Erdwärmekraftwerk in Husavik/Island In Planung: Erdwärmekraftwerk in Unterhaching Bild 3.9 Kalina-Prozess 52

53 Bild 3.10 Kalina-Prozess 53

54 Bild 3.11 h,x-diagramm Wasser - Ammoniak 54

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