Seminar Thermische Abfallbehandlung - Veranstaltung 5 - Dampfkraftanlagen - Wirkungsgradberechnung

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1 Institut für Abfallwirtschaft und Altlasten, TU-Dresden Seminar Thermische Abfallbehandlung - Veranstaltung 5 - Dampfkraftanlagen - Wirkungsgradberechnung Dresden, 30. Juni 2008 Dipl.- Ing. Christoph Wünsch, Prof. Dr.- Ing. habil. Dr. h.c. Bernd Bilitewski

2 Inhalt 1. Kesselbauarten, Anordnung von Dampferzeuger und Heizflächen 2. Energienutzungskonzepte 4. Allgemeine Wirkungsgradberechnungen 5. Wirkungsgrad - Beispiele 6. Wirkungsgradberechnung nach VDI 6430 Blatt 2 7. Wirkungsgradberechnung nach der BREF- Bilanzierungsmethode Folie 2 von 40

3 Kesselbauarten Folie 3 von 40

4 Anordnung der Dampferzeuger in MVA Folie 4 von 40

5 Anordnung der Kesselheizflächen Folie 5 von 40

6 Energienutzungskonzepte Folie 6 von 40

7 Energienutzungskonzepte Folie 7 von 40

8 Wirkungsgrad (allgemein) Im Allgemeinen gibt der Wirkungsgrad (griechischer Buchstabe Eta) das Verhältnis zwischen Aufwand und dem letztlich gewonnen Nutzen an. Oft wird der Leistungswirkungsgrad verwendet. Er ist das Verhältnis zwischen abgeführter Leistung P ab zu zugeführter Leistung P zu. η = P ab P zu Wirkungsgrade werden aber auch über das Verhältnis zwischen abgeführter Wärme Q ab und zugeführter Wärme Q zu berechnet. η = Q ab Q zu Da die Nutzenergie immer kleiner ist als die aufgewendete Energie, liegt der Wirkungsgrad zwischen 0 % und 100 %. Folie 8 von 40

9 Kessel- der Dampferzeugerwirkungsgrad. Q N η K =. = m B. H U m.. (h. h ) D DA SW m B. H U. mit: Q N = nutzbare Wärme (Dampf). m B = Massenstrom Brennstoff H U = Brennstoffheizwert. m D = Massenstrom Dampf h DA = Enthalpie Dampferzeugeraustritt h SW = Enthalpie Speisewasser oder: η K = 1 - Σ Verluste = 1 (ζ Ath + ζ Ach + ζ RGth + ζ RGch + ζ St ) mit: ζ Ath = thermische Ascheverluste ζ Ach = chemische Ascheverluste ζ RGth = thermische Rauchgasverluste ζ RGch = chemische Rauchgasverluste ζ St = Strahlungsverluste Folie 9 von 40

10 Dampferzeugerverluste 1. Thermische Ascheverluste: ζ Ath = α Asche. c pasche. (T Asche -T U ) mit: α Asche = Anteil Asche im Brennstoff c pasche = spez. Wärmekapazität der Asche [kj/kgk] T Asche = Temperatur der Asche bei Kesselaustritt [ C] T U = Umgebungstemperatur [ C] 2. Chemische Ascheverluste: ζ Ach = α Asche. GV. H UC mit: α Asche = Anteil Asche im Brennstoff GV = Glühverlust [%/100] H UC = Heizwert von Kohlenstoff [kj/kg] Folie 10 von 40

11 Dampferzeugerverluste. 3. Thermische Rauchgasverluste: ζ RGth = m RG. c prg.(t RG -T U ) + Q W. mit: m RG = Massenstrom trockenes Rauchgase [kgrg/kgbs]. Q W = m W. c pw. (T RG -100 C) c prg = mittlere spezifische Wärmekapazität des Rauchgases [kj(kgk] T RG = Rauchgastemperatur am Dampferzeugeraustritt [ C] T U = Umgebungstemperatur [ C] Q W = spezifische Wärme des Wassers [kj/kg] mit: α H2 O = Anteil Wasser im Brennstoff [kgh 2 O/kgBS] c pw = spezifische mittlere Wärmekapazität von Wasser [kj/kgk] T RG = Rauchgastemperatur am Dampferzeugeraustritt [ C] Folie 11 von 40

12 Dampferzeugerverluste. 4. Chemische Rauchgasverluste: ζ RGch = m RG.(c Cges. H +C UC CO. H ) ges UCO. mit: m RG = Massenstrom trockenes Rauchgase [kgrg/kgbs] c Cges = Konzentration Gesamtkohlenstoff im Abgas [kgc/kgrg] H UC ges = Heizwert von Kohlenstoff [kj/kg] C CO = Konzentration an CO im Rauchgas [kg CO/kgBS] H U CO = Heizwert von CO [kj/kg] 5. Strahlungsverluste: - Lassen sich nur über das Verhältnis von Brennstoffenergie und Dampfenergie berechnen, wobei die Differenz vom Kesselwirkungsgrad zu den berechneten Dampferzeugerverlusten die Strahlungsverluste darstellt - liegen bei modernen Dampferzeugern bei 2-3% Folie 12 von 40

13 Rohrleitungswirkungsgrad η R = (h TE h SW ) (h DA h SW ) mit: h DA = Enthalpie Dampferzeugeraustritt h SW = Enthalpie Speisewasser h TE = Enthalpie Turbineneintritt - Erfasst nur die Wärmeverluste in der Rohrleitung, durch die die Enthalpie in der Rohrleitung sinkt - Erfasst nicht die Drosselverluste, jedoch bleibt bei der Drosselung die Enthalpie fast konstant Folie 13 von 40

14 Thermischer Wirkungsgrad Die Entdeckung des Wirkungsgrades Sadi Carnot ( ) entwickelte die Formel für den thermodynamischen Wirkungsgrad: η th = 1 - T 2 T 1 T 1 steht für die Eingangstemperatur der Wärme, die der Dampfmaschine zugeführt wird, und T 2 bezeichnet die Ausgangstemperatur der Wärme, die nach Verrichtung der Arbeit abgeführt wird (jeweils in Grad Kelvin). Folie 14 von 40

15 Thermischer Wirkungsgrad η th = h TE h TA h TE h SW mit: h TE = spezifische Enthalpie des Dampfes am Turbineneingang [kj/kg] h TA = spezifische Enthalpie des Dampfes am Turbinenausgang bei isentroper Expansion [kj/kg] h SW = spezifische Enthalpie des Wassers beim Kesseleintritt [kj/kg] Folie 15 von 40

16 Innerer Turbinenwirkungsgrad η i = h Ein h real h Ein h isentrop Folie 16 von 40

17 Mechanischer Wirkungsgrad η m = P e P i mit: P e = Kupplungsleistung P i = innere Leistung die von der Turbine abgegeben wird - Der mechanische Wirkungsgrad ist fast vernachlässigbar, da er geringer 1% ist. - Nur geringe Wärmeverluste sind an der Kupplung zu verzeichnen. Folie 17 von 40

18 Elektrischer Wirkungsgrad η gen = P gen P e mit: P gen = Generatorleistung P e = Kupplungsleistung - Generatoren besitzen Wirkungsgrade nahe 100% - Nur ein geringer Wärmeverlust entsteht Folie 18 von 40

19 Eigenbedarfs Wirkungsgrad η ei = P kl P gen mit: P kl = Klemmenleistungs ans Netz, Kraftwerksnettoleistung P gen = Generatorleistung, Kraftwerksbruttoleistung Zum elektrischen Eigenbedarf eines Kraftwerks zählen alle elektrischen Verbraucher wie Speisewasserpumpen, Saugzuggebläse und alle anderen Motoren, Pumpen, Computer usw. Folie 19 von 40

20 Energieflussbild und Wirkungsgrade Folie 20 von 40

21 Vergleich energetischer Wirkungsgrade Folie 21 von 40

22 Wirkungsgrad Beispiele Maschine, Prozess Aufgewandte Energie Nutzenergie Wirkungsgrad / % Bereitstellung von Nutzenergie GuD-Kraftwerk (Erdgas) chemisch elektrisch Leichtwasserreaktor nuklear elektrisch 33 MHD-Generator thermisch elektrisch <30 Solarzelle Strahlung (Sonnenlicht) elektrisch 5-22 (40) Thermoelement thermisch elektrisch < 30 Wärmekraftwerk (Kohle) chemisch elektrisch Wärmekraftwerk oder Motor mit Kraft-Wärme-Kopplung (5) chemisch elektrisch & thermisch bis 98 Wasserkraftwerk mechanisch elektrisch Windkraftanlage mechanisch mechanisch bis 50 Beim MHD-Generator strömt ein elektrisch leitendes Fluid (Plasma) durch ein Magnetfeld. Durch das Magnetfeld kommt es zu einer Separation ungleichnamiger Ladungen und damit zur direkten Umwandlung von potentieller Energie des Plasmas in elektrische Energie. Folie 22 von 40

23 Wirkungsgradberechnungen nach VDI 3460 Blatt 2 Folie 23 von 40

24 Bilanzkreise Folie 24 von 40

25 Bilanzkreise Folie 25 von 40

26 Bilanzkreise Folie 26 von 40

27 Anlagenwirkungsgrad (Zielenergie) Unter den Anlagenwirkungsgrad η A versteht man den Wirkungsgrad, der sich für den Bilanzkreis (hier Q) der Anlage aus dem Verhältnis der nach außen abgegebenen Zielenergie und der insgesamt der Anlage zugeführten Einsatzenergie ergibt Folie 27 von 40

28 Netto-Anlagenwirkungsgrad (Netto-Zielenergie) Unter den Netto- Anlagenwirkungsgrad η A,Netto versteht man den Wirkungsgrad, der sich für den erweiterten Bilanzkreis (hier R) der Anlage aus dem Verhältnis der nach außen abgegebenen Netto- Zielenergie und dem insgesamt dem erweiterten Bilanzkreis der Anlage zugeführten Einsatzenergie ergibt Folie 28 von 40

29 Netto-Anlagenwirkungsgrad (Netto-Zielenergie) Folie 29 von 40

30 Primärwirkungsgrad Neben Abfallbrennstoff wird der energetische Aufwand zur Bereitstellung der Betriebs- und Hilfsstoffe, der elektrischen Energie und einer eventuellen Sauerstoffanreicherung einbezogen Folie 30 von 40

31 Netto-Primärwirkungsgrad Primärressourcen werden durch von Abfall erzeugte Energie substituiert. Es werden folglich keine Primärenergien mehr benötigt. Als Nutzen bleibt nur die Netto- Energie die ausschließlich aus dem Energiegehalt des Abfalls resultiert. Folie 31 von 40

32 Schlußfolgerungen - Ist der Netto-Primärwirkungsgrad (η Netto,Primär) größer 0 wird aus dem Abfall energetischer Nutzen gezogen - Eine Abfallverbrennungsanlage hat damit neben dem Ziel der Beseitigung noch zusätzlich das Ziel der energetischen Verwertung erfüllt - Setzt man z.b. bei gleich bleibender Abfallenthalpie mehr Primärenergie (z.b. Erdgas) ein, so ergeben sich sowohl für die Anlagenwirkungsgrade η A und η A,Netto als auch für den Primärwirkungsgrad η Primär steigende Werte - Dies ist physikalisch und technisch zwar richtig, bringt aber nicht unmittelbar zum Ausdruck, dass der steigende Wirkungsgrad durch zusätzlichen Verbrauch von Primärressourcen erkauft wird. - Der Netto-Primärwirkungsgrad hingegen sinkt mit laufend steigendem Einsatz von Primärenergieressourcen, das heißt, er verdeutlicht den Zusatzaufwand an Primärenergie Folie 32 von 40

33 Wirkungsgradvergleich Folie 33 von 40

34 Aufwandsgrad - kann bei hohem Einsatz von Primärenergien auch negative Werte annehmen - d.h. zur Behandlung des Abfalls wird mehr Energie benötigt, als der Abfall selbst der Verfahrenslinie zuführt - Der Wirkungsgrad kann Werte < 0 erreichen und wird dann als Aufwandsgrad bezeichnet - mit steigendem Primärenergieverbrauch steigt auch der Aufwandsgrad und kann über alle Grenzen wachsen - daher Einführung des modifizierten Aufwandgrads - dieser kann dann nur zwischen 0 < α* < -1 variieren Folie 34 von 40

35 Wirkungsgradberechnungen nach der BREF- Energiebilanzierungsmethode Folie 35 von 40

36 Heizwertberechnung Folie 36 von 40

37 Kesselwirkungsgrad mit: Um die Verluste durch Strahlung in die Formel mit aufzunehmen erfolgt bei der Berechnung nach BREF ein Abzug von 3 % der zugeführten Energiemengen Folie 37 von 40

38 Elektrischer Wirkungsgrad mit: Folie 38 von 40

39 Thermischer Wirkungsgrad mit: Folie 39 von 40

40 Gesamtwirkungsgrad Folie 40 von 40