Exkursion: Nossener Brücke DREWAG :15 Uhr Öderaner Str. 21 Eingang HKW (Wache)

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1 Fakultät für Maschinenwesen, Institut Energietechnik, Professur Kraftwerkstechnik Exkursion: Nossener Brücke DREWAG :15 Uhr Öderaner Str. 21 Eingang HKW (Wache) Dresden,

2 Fakultät für Maschinenwesen, Institut Energietechnik, Professur Kraftwerkstechnik Exkursion: STEAG-Holz-HKW??.??.07 Dresden Niedersedlitz Uhr Am Lugaer Graben 18 Eingang HKW Dresden,

3 Rechengang für den nicht vereinfachten Prozess (Massestrom nicht konstant) Mit Parametern, die bei Optimierungsrechnungen als Eingangswerte für die Iteration anzusehen sind, werden die Anzapfdrücke bestimmt. Sie sind durch die abhängig von: Speisewassertemperaturen der einzelnen Vorwärmstufen, die Grädigkeiten, Vorwärmschaltungen und die Druckverluste in den Leitungen Turbine-Vorwärmer gegeben. Die Anzapfungen werden aus den Energiebilanzen der einzelnen Vorwärmer berechnet. Es wird dazu definiert: µ = m& m& Ani F relativer Anzapfmassenstrom = Dampfmassenstrom aus der Anzapfung i Frischdampfmassenstrom am Eintritt in die Dampfturbine TU Dresden Kraftwerkstechnik V5 Folie 3

4 Rechengang für den nicht vereinfachten Prozess Die Energiebilanzen der einfachen Vorwärmerschaltungen (z.b. mit Pumpen) lauten: Vorwärmer 1: Vorwärmer 2: µ = 1 h1 + (1 µ 1) hw 2 hw1 µ 2 h2 + (1 µ 1 µ 2 ) hw 3 = (1 µ 1) hw 2 Vorwärmer n: n µ n hn + 1 µ i hw i= 1 Sind Pumpen mit großer Druckerhöhung in die Vorwärmstrecke eingebunden, so ist, wie z.b. bei der Speisepumpe die Enthalpieerhöhung zu beachten: 3 h VW p mit h p n V = η p p TU Dresden Kraftwerkstechnik V5 Folie 4

5 Rechengang für den nicht vereinfachten Prozess Da alle Enthalpien bekannt sind, können die Werte µ 1,µ 2,... µ nberechnet werden. (In Sonderfällen sind Iterationsschritte erforderlich). Die auf die Masseneinheit des Frischdampfmengenstromes bezogene innere Turbinenarbeit ergibt sich aus der Summe der Anteile der einzelnen Turbinenabschnitte. w it = 1 h E 1 + (1 µ 1 ) h ZÜ 2 + (1 µ 1 µ 2 ) h µ 2 µ 3 ) h 4 + (1 µ 1 µ 2 µ 3 µ 4 ) h 5 + ( 1 µ 5 + ( 1 µ ) i= 1 i h 5 A Werden zusätzliche Mengenströme, z.b. für die Wärmeversorgung oder für den Antrieb einer Speisepumpe durch eine Dampfturbine angezapft, so sind sie hier zu berücksichtigen. TU Dresden Kraftwerkstechnik V5 Folie 5

6 Beispiel für den nicht vereinfachten Prozess TU Dresden Kraftwerkstechnik V5 Folie 6

7 Rechengang für den nicht vereinfachten Prozess Die spezifische elektrische Arbeit an den Generatorklemmen ist dann: P brutto = w m& = m η η Gen e E E m Gen w it Damit kann der Frischdampfmassenstrom bei vorgegebener Generatorleistung berechnet werden. Wird der Eigenbedarf des Kraftwerkes P Eig auf die Generatorleistung P Gen bezogen, so ist der Eigenbedarfswirkungsgrad P Eig ηeig = 1 PGen und ist er nicht nur durch Dampfturbinenantriebe (mit Berücksichtigung der Anzapfungen im Wärmeschaltplan) realisiert, so gilt für die Generator-Netto-Leistung: P Gen netto = P Gen brutto η Eig TU Dresden Kraftwerkstechnik V5 Folie 7

8 Rechengang für den nicht vereinfachten Prozess P netto = η η η w m& Gen m Gen Eig it E Die je Masseneinheit Frischdampf dem Prozess zugeführte Wärmemenge ist: q& = (he hw1) + (1 µ 1) (h h1) bzw. der im Dampferzeuger zugeführte Wärmemengenstrom: Q& = m& E q = m& E (he hw1) + m& E(1 µ 1) (h h1) ZÜ ZÜ Es gilt gleichzeitig: Q& = m& q& = η m& E DE Br H u TU Dresden Kraftwerkstechnik V5 Folie 8

9 Rechengang für den nicht vereinfachten Prozess Damit kann der Netto-Wirkungsgrad des Kraftwerkes angegeben werden. η netto = P m& Gen Br netto Q& i Der spezifische Wärmeverbrauch des Kraftwerkes ist: w = el 3600 η netto in kj kwh TU Dresden Kraftwerkstechnik V5 Folie 9

10 Beispiel für den nicht vereinfachten Prozess TU Dresden Kraftwerkstechnik V5 Folie 10

11 Beispiel für den nicht vereinfachten Prozess TU Dresden Kraftwerkstechnik V5 Folie 11

12 Rechengang für den nicht vereinfachten Prozess TU Dresden Kraftwerkstechnik V5 Folie 12

13 Erhöhung des Kraftwerkswirkungsgrades durch Prozessverbesserung Dampfparameter Überhitzung (Werkstoff-Entwicklung) Zwischenüberhitzung Vorwärmung Kaltes Ende Kondensatdruck Wirkungsgrade prozessinterne Kohletrocknung Die zeitliche Entwicklung verläuft zu überkritischen Frischdampfparameter. Durch prozessinterne Kohletrocknung ist z.b. eine weitere Steigerung des Kraftwerkswirkungsgrades bei Rohbraunkohle möglich. Die einzelnen Einflussgrößen sind stark ausgeprägt: - Frischdampfparameter - regenerative Speisewasservorwärmung und - Kaltes Ende. TU Dresden Kraftwerkstechnik V5 Folie 13

14 Parameterentwicklung TU Dresden Kraftwerkstechnik V5 Folie 14

15 Wirkungsgraderhöhung bei mittleren Dampfparametern Kraftwerksleistung 200 MW (elektrisch) TU Dresden Kraftwerkstechnik V5 Folie 15

16 TU Dresden Kraftwerkstechnik V5 Folie 16

17 500 MW Kondensationsblock TU Dresden Kraftwerkstechnik V5 Folie 17

18 TU Dresden Kraftwerkstechnik V5 Folie 18

19 Steigerung des Wirkungsgrades TU Dresden Kraftwerkstechnik V5 Folie 19

20 Wirkungsgrad Kohlekraftwerk (bis 45 %) TU Dresden Kraftwerkstechnik V5 Folie 20

21 Braunkohleblock mit optimierter Anlagentechnik (BoA) Niederaußem, RWE Elektrische Leistung MW 1012 (965 netto) Dampferzeugung t/h 2620 Dampfparameter bar/ C 274/580 Kohleeinsatz t/h 807 Wirkungsgrad % 45 Betriebsstunden h/a 8000 Stromerzeugung Mrd. kwh 7,6 Höhe Kesselhaus m 172 Höhe Kühlturm m 200 Investition Mrd. 1,4 Inbetriebnahme Jahr 2002 TU Dresden Kraftwerkstechnik V5 Folie 21

22 Aufbau und Beispiele Aufbau des Dampfkraftwerkes Der Aufbau des Kraftwerks-Systems wird von den Hauptanlagen - Dampferzeuger - Dampfturbine und Generator (einschließlich Speisewasservorwärmung) - Kühlsystem und die Nebenanlagen Brennstoff- und Aschesystem - Rauchgasreinigung - Schmierölsystem u.a. bestimmt. Dem entspricht auch die Bauzeit von 2-3 Jahren und die spezifischen Investitionskostenkosten von 900 bis 1200 /kw. TU Dresden Kraftwerkstechnik V5 Folie 22

23 Allgemeiner Aufbau TU Dresden Kraftwerkstechnik V5 Folie 23

24 Haupt- und Nebenanlagen TU Dresden Kraftwerkstechnik V5 Folie 24

25 Aufstellungsplan TU Dresden Kraftwerkstechnik V5 Folie 25

26 Schwarze Pumpe TU Dresden Kraftwerkstechnik V5 Folie 26

27 Technische Daten TU Dresden Kraftwerkstechnik V5 Folie 27

28 Aufstellungsplan TU Dresden Kraftwerkstechnik V5 Folie 28

29 Komponenten thermischer Kraftwerke; Dampferzeuger TU Dresden Kraftwerkstechnik V5 Folie 29

30 Dampferzeuger TU Dresden Kraftwerkstechnik V5 Folie 30

31 Dampferzeuger TU Dresden Kraftwerkstechnik V5 Folie 31

32 h-p-diagramm Niederdruck-DE Hochdruck-DE TU Dresden Kraftwerkstechnik V5 Folie 32

33 Dampferzeuger TU Dresden Kraftwerkstechnik V5 Folie 33

34 Dampferzeuger Niederdruck-DE Hochdruck-DE TU Dresden Kraftwerkstechnik V5 Folie 34

35 Dampferzeuger Dampferzeuger werden mit drei Verdampfungssystemen ausgeführt: (1) Naturumlaufdampferzeuger (2) Zwangsumlaufdampferzeuger (3) Zwangsdurchlaufdampferzeuger (1) (2) (3) TU Dresden Kraftwerkstechnik V5 Folie 35

36 Naturumlaufdampferzeuger TU Dresden Kraftwerkstechnik V5 Folie 36

37 Zwangsumlaufdampferzeuger TU Dresden Kraftwerkstechnik V5 Folie 37

38 Zwangsumlaufdampferzeuger TU Dresden Kraftwerkstechnik V5 Folie 38

39 Zwangsdurchlaufdampferzeuger Beim Zwangdurchlauf-Dampferzeuger wird das Speisewasser von der Kesselspeisepumpe in einem Durchgang durch die Wärmeübertragerflächen gedrückt, dabei im Dampferzeuger erwärmt, verdampft und überhitzt. Eine Dampferzeugertrommel ist nicht notwendig. Bei diesem Wirkprinzip spielt die sichere Kühlung der Heizfläche eine größere Rolle als bei den erstgenannten Dampferzeugertypen (1) und (2). Die Instabilitäten treten bevorzugt bei ungleichmäßiger Beheizung der Rohre und abgesenktem Betriebsdruck auf. (Unzureichend beaufschlagte Rohre unterliegen der Gefahr der Schädigung durch Übertemperaturen (Siedekrise). Durchlaufdampferzeuger sind für unter- und überkritische Drücke einsetzbar. Der Durchlaufverdampfer kann als Rohrbandverdampfer, Steigrohr-Fallrohr-System und Kombinationen von ihnen ausgeführt werden. TU Dresden Kraftwerkstechnik V5 Folie 39

40 Zwangsdurchlaufdampferzeuger Dampferzeuger mit variablen Verdampfungspunkt (BENSON) Dampferzeuger mit festem Verdampfungspunkt (SULZER) TU Dresden Kraftwerkstechnik V5 Folie 40

41 Dampferzeugerdrücke TU Dresden Kraftwerkstechnik V5 Folie 41

42 Schwarze Pumpe TU Dresden Kraftwerkstechnik V5 Folie 42

43 Weitere KW-Beispiele Naturumlaufkessel mit Trommel TU Dresden Kraftwerkstechnik V5 Folie 43

44 Dampfkraftwerk mit Schwerölfeuerung TU Dresden Kraftwerkstechnik V5 Folie 44

45 Kraftwerk mit Zirkulierender Wirbelschicht TU Dresden Kraftwerkstechnik V5 Folie 45

46 Rostfeuerung einer Müllverbrennungsanlage TU Dresden Kraftwerkstechnik V5 Folie 46

47 Charakterisierung und Kenngrößen Zur Charakterisierung der spezifischen Flächen- und Volumenbelastung eines Brennraumes gelten die Kenngrößen. Thermische Last H B T Q& Feuerung = Q& Br,Zu + m& L h L Q& Br,Zu = m& Br H Q& Feuerung Q& Br,Zu TU Dresden Kraftwerkstechnik V5 Folie 47

48 Charakterisierung und Kenngrößen Thermische Querschnittsbelastung q& A = Q& Feuerung B T Thermische Volumenbelastung q& v = Q& Feuerung B T H TU Dresden Kraftwerkstechnik V5 Folie 48

49 Charakterisierung und Kenngrößen TU Dresden Kraftwerkstechnik V5 Folie 49

50 Brennkammern Für Brennkammern von Dampferzeugern mit den Brennstoffen Erdgas oder Heizöl gelten die folgenden charakteristischen Größen: Brennkammern für gasförmige Brennstoffe (Erdgas) im Kraftwerksbereich Charakteristische Größe Zahlenwert Dimension Verbrennungstemperatur C 1400 Feuerraumendtemperatur C Gasgeschwindigkeit im 5-10 m/s Feuerraum Verweilzeit der Gase im 1-3 s Feuerraum Luftzahl 1,05-1,1 - Thermische Volumenbelastung Thermische Querschnittsbelastung 0,25-0,35 MW/m MW/m 2 TU Dresden Kraftwerkstechnik V5 Folie 50

51 Brennkammern ölbefeuert Brennkammern für flüssige Brennstoffe (Heizöl EL und S) im Kraftwerksbereich Charakteristische Größe Zahlenwert Dimension Verbrennungstemperatur C Feuerraumendtemperatur C Gasgeschwindigkeit im Feuerraum Verweilzeit der Gase im Feuerraum 5-10 m/s 1-3 s Luftzahl 1,05-1,2 - Thermische Volumenbelastung Thermische Querschnittsbelastung 0,25-0,35 MW/m MW/m 2 TU Dresden Kraftwerkstechnik V5 Folie 51

52 Rostfeuerungen Rostfeuerungen Charakteristische Größe Zahlenwert Dimensio n Verbrennungstemperatur C Feuerraumendtemperatur C Gasgeschwindigkeit im 4-9 m/s Feuerraum Verweilzeit der Gase im 1-3 s Feuerraum Luftzahl 1,3-2,5 - Verweilzeit des s Brennstoffs im Feuerraum thermische 0,15-0,35 MW/m 3 Volumenbelastung Thermische 0,5-2,5 MW/m 2 Querschnittsbelastung Feuerungswirkungsgrad % TU Dresden Kraftwerkstechnik V5 Folie 52

53 Zirkulierende atmosphärische Wirbelschicht Charakteristische Größe Zahlenwert Dimension Verbrennungstemperatur C gängiger Wert C Feuerraumendtemperatur C Gasgeschwindigkeit im 5-8 m/s Feuerraum Druck 1 bar Verweilzeit der Gase im 0,5-6 s Feuerraum Luftzahl 1,12-1,3 - Verweilzeit des Brennstoffs im s Feuerraum Maximaler 1-25 mm Aufgabekorndurchmesser Mittlerer Korndurchmesser in 0,15-0,25 mm der Schicht Thermische 0,2-0,3 MW/m 3 Volumenbelastung Thermische 4-6 MW/m 2 Querschnittsbelastung Feuerungswirkungsgrad % TU Dresden Kraftwerkstechnik V5 Folie 53

54 Staubfeuerung Bei der Staubfeuerung wird der Brennstoff Kohle so fein aufgemahlen, dass er im Feuerraum im Flug verbrennt. Die Flugbahn des Brennstoffs ist im wesentlichen durch die Gasbewegung bestimmt. Eine feinere Ausmahlung ist auch notwendig, um einen vollen Ausbrand bei den relativ kurzen Aufenthaltszeiten von 1-8 s zu erreichen. TU Dresden Kraftwerkstechnik V5 Folie 54

55 Staubfeuerung Steinkohle Staubfeuerung für Steinkohle (trockener Ascheabzug) Charakteristische Größe Zahlenwert Dimension Verbrennungstemperatur C Feuerraumendtemperatur C Gasgeschwindigkeit im Feuerraum 5-10 m/s Verweilzeit der Gase im Feuerraum 1-3 s Luftzahl 1,13-1,3 - Verweilzeit des Brennstoffs im 1-3 s Feuerraum Thermische Volumenbelastung 0,06-0,3 MW/m 3 bei großem Feuerraum 0,09-0,13 MW/m 3 Thermische Querschnittsbelastung 2-8 MW/m 2 bei großem Feuerraum 4,5-8 MW/m 2 Thermische Oberflächenbelastung 0,25-1,2 MW/m 2 Thermische Gürtelflächenbelastung 0,6-3 MW/m 2 Feuerungswirkungsgrad % TU Dresden Kraftwerkstechnik V5 Folie 55

56 Staubfeuerung Braunkohle Braunkohle hat eine wesentlich höhere Reaktivität als Steinkohle (Flüchtigengehalt), daher ist die Partikelgröße etwas gröber. Wegen des niedrigeren Heizwertes und höheren Aschegehaltes sind die Feuerräume größer zu gestalten. Die Verbrennungstemperaturen (<1300 C) ermöglichen eine primäre NO x -Minderung. Die Trocknung der Braunkohle erfolgt in den Rauchgasrücksaugleitungen und in den Mühlen. TU Dresden Kraftwerkstechnik V5 Folie 56

57 Staubfeuerung für Braunkohle Staubfeuerung Braunkohle mit trockenem Ascheabzug Charakteristische Größe Zahlenwer t Dimen sion Verbrennungstemperatur C Feuerraumendtemperatur C Gasgeschwindigkeit im 4-8 m/s Feuerraum Verweilzeit der Gase im 1-3 s Feuerraum Luftzahl 1,2-1,5 - Verweilzeit des Brennstoffs im 1-3 s Feuerraum Thermische Volumenbelastung 0,06-0,15 MW/m 3 Thermische Querschnittsbelastung 2,5-5 MW/m 2 Thermische Oberflächenbelastung 0,25-0,4 MW/m 2 Thermische Gürtelflächenbelastung 0,4-1 MW/m 2 Feuerungswirkungsgrad % TU Dresden Kraftwerkstechnik V5 Folie 57