Vorlesung Gasturbinen GuD-Kraftwerke

Transkript

1 Fakultät für Maschinenwesen, Institut Energietechnik, Professur Kraftwerkstechnik Vorlesung Gasturbinen GuD-Kraftwerke Dresden,

2 Fakultät für Maschinenwesen, Institut Energietechnik, Professur Kraftwerkstechnik Exkursion: Nossener Brücke DREWAG 13:15 Uhr Öderaner Str. 21 Eingang HKW (Wache) Dresden,

3 Fakultät für Maschinenwesen, Institut Energietechnik, Professur Kraftwerkstechnik Exkursion: STEAG-Holz-HKW Dresden Niedersedlitz 09:30 Uhr Am Lugaer Graben 18 Eingang HKW Dresden,

4 Kesselspeisepumpe TU Dresden Kraftwerkstechnik V7 Folie 4

5 Kesselspeisepumpe TU Dresden Kraftwerkstechnik V7 Folie 5

6 Kesselspeisepumpe TU Dresden Kraftwerkstechnik V7 Folie 6

7 Kondensation und Rückkühlung Kühlverfahren TU Dresden Kraftwerkstechnik V7 Folie 7

8 Kühlverfahren TU Dresden Kraftwerkstechnik V7 Folie 8

9 Oberflächenkondensator TU Dresden Kraftwerkstechnik V7 Folie 9

10 Nass-Kühlturm (Naturzug) TU Dresden Kraftwerkstechnik V7 Folie 10

11 Direkte Kondensation und Mischkondensator Dampfeintritt Sprührohre Kondensatabzug Dampfzufuhr Kondensatabzug TU Dresden Kraftwerkstechnik V7 Folie 11

12 Kühlkamin TU Dresden Kraftwerkstechnik V7 Folie 12

13 Gasturbinen Die Entwicklung der Gasturbinen wurde anfangs durch die Arbeiten - zu Gasturbinenstrahltriebwerken der zivilen und militärischen Luftfahrt (während und nach dem 2. Weltkrieg) und - zu energetischen Gasturbinenanlagen der Firma BBC (heute ABB) in der Schweiz ( MW el, 550 C Turbineneintrittstemperatur) gekennzeichnet Die weltweite Entwicklung wurde in den Jahren nach 1960 mit GTA für die Schweröl-Verbrennung (P el 25 MW, 750 C) und etwa ab 1970/75 vorwiegend mit den Brennstoffen Erdgas und HEL im weiten Leistungsbereich von 1 bis 200 MW Einheitsleistungen (Turbineneintrittstemperaturen 900 bis 1300 C) bis heute fortgesetzt. Mit diesen Sonderbrennstoffen waren höhere Prozesstemperaturen und der Schritt zu einer zuverlässigen Kraftwerksanlage gekoppelt, so dass heute Gasturbinen sowohl in Stadtwerken mit kleiner Leistung, als in großen Gas-Dampf-Anlagen vertreten sind. TU Dresden Kraftwerkstechnik V7 Folie 13

14 Gasturbine TU Dresden Kraftwerkstechnik V7 Folie 14

15 Gasturbine TU Dresden Kraftwerkstechnik V7 Folie 15

16 Leistungsbilanz Gasturbine P el = (P GT P V ) η Gen = η GT m& GT cp, GT (TEin TAus) GT ηvm& v cp, v (TAus TEin ) v = ηgt m& GT (hein haus) GT ηv m& v (haus hein) v Elektrischer Wirkungsgrad: η el = Pel m& H Br u Ist abhängig von: Turbineneintrittstemperatur Wirkungsgrade der Strömungsmaschinen Druckverluste (An- und Abströmgehäuse, Brennkammer) TU Dresden Kraftwerkstechnik V7 Folie 16

17 Wirkungsgrad Gasturbine TU Dresden Kraftwerkstechnik V7 Folie 17

18 Kühlluft TU Dresden Kraftwerkstechnik V7 Folie 18

19 Energiebilanz TU Dresden Kraftwerkstechnik V7 Folie 19

20 Temperaturverhältnisse TU Dresden Kraftwerkstechnik V7 Folie 20

21 Flammtemperatur Brennkammerbauarten: - stehende KB - Ringbrennkammer TU Dresden Kraftwerkstechnik V7 Folie 21

22 Gasturbinenmodelle (Hersteller) TU Dresden Kraftwerkstechnik V7 Folie 22

23 Umweltbelastung o TU Dresden Kraftwerkstechnik V7 Folie 23

24 Zuverlässigkeit TU Dresden Kraftwerkstechnik V7 Folie 24

25 Gesetzliche Bestimmungen Emission TU Dresden Kraftwerkstechnik V7 Folie 25

26 Emissionen Gasturbinenbrennkammer TU Dresden Kraftwerkstechnik V7 Folie 26

27 Aufbau von GTA TU Dresden Kraftwerkstechnik V7 Folie 27

28 Aufbau von GTA TU Dresden Kraftwerkstechnik V7 Folie 28

29 Aufbau einer GTA 1. Die Gasturbine basiert auf der bewährten Technologie Flugtriebwerks, welches für den industriellen Einsatz adaptiert wurde. 2. Die in Schwerbauweise (Heavy duty) ausgeführten Maschinen sind für eine lange Lebensdauer bei einer hohen Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit ausgelegt. Sie werden als fertigmontierte Antriebseinheiten geliefert. TU Dresden Kraftwerkstechnik V7 Folie 29

30 Berechnung Gasturbinenprozess TU Dresden Kraftwerkstechnik V7 Folie 30

31 Berechnung Gasturbinenprozess TU Dresden Kraftwerkstechnik V7 Folie 31

32 Berechnung Gasturbinenprozess TU Dresden Kraftwerkstechnik V7 Folie 32

33 Berechnung Gasturbinenprozess TU Dresden Kraftwerkstechnik V7 Folie 33

34 Berechnung Gasturbinenprozess TU Dresden Kraftwerkstechnik V7 Folie 34

35 Radialverdichterstufe Quelle: KKK (jetzt SIEMENS) Radialverdichter sind robust und relativ preiswert zu fertigen, weil eine Stufe in der Regel nur aus zwei integralen Komponenten, dem einteiligen Laufrad und dem einteiligen Diffusor besteht. TU Dresden Kraftwerkstechnik V7 Folie 35

36 Anlagenbeispiele TU Dresden Kraftwerkstechnik V7 Folie 36

37 Anlagenbeispiele Anlage mit größerer Leistung: Fa. SIEMENS V64.3 TU Dresden Kraftwerkstechnik V7 Folie 37

38 Anlagenbeispiele Anlage kleinerer Leistung: Fa. OPRA, ca. 1,6 MWel TU Dresden Kraftwerkstechnik V7 Folie 38

39 Anlagenbeispiele TU Dresden Kraftwerkstechnik V7 Folie 39

40 Microturbinen Wärmeleistung ca. 70 kw El. Leistung: kw Dampferzeugung in kleinen Kesselanlagen Heißwassernetze über 100 C Trockneranlagen Krankenhäuser Wäschereien Nahwärmenetze Brennstoffe: Erdgas Heizöl Flüssiggas Klärgas Grubengas Erdölbegleitgas TU Dresden Kraftwerkstechnik V7 Folie 40

41 Microturbinen Vorteile: kompakte Bauweise geringe Wartungskosten bei Wartungsintervallen von mind Betriebsstunden einfache Installation durch kompakte Bauweise und niedriges Anlagengewicht ist es möglich, die Betriebsfläche gering zu halten. Anpassung des Strom- und Wärmebedarfes ist möglich leise, da keine niederfrequenten Schallemissionen Nachteile: noch keine vollständige Marktreife Schwachstellen thermodynamisch: Die hohen Wirkungsgrade der Gasturbinen lassen sich durch hohe Turbineneintrittstemperaturen bis zu 1300 C erzielen. Dies verlangt sehr teure Werkstoffe und komplizierte Technologien zur Schaufelkühlung. Gasturbinen höchsten Wirkungsgrades sind daher sehr wartungsintensiv. TU Dresden Kraftwerkstechnik V7 Folie 41

42 Microturbinen (Turbec 100) Nachteile sind der relativ geringe elektrische Wirkungsgrad (27 30 %), sowie die relativ hohen Investitionskosten ( /kwel). TU Dresden Kraftwerkstechnik V7 Folie 42

43 Microturbinen Quelle: Capstone TU Dresden Kraftwerkstechnik V7 Folie 43

44 Kombinierte Gas- und Dampfanlagen TU Dresden Kraftwerkstechnik V7 Folie 44

45 Kombinierte Gas- und Dampfanlagen TU Dresden Kraftwerkstechnik V7 Folie 45

46 Prinzip Gas- und Dampfkraftwerk TU Dresden Kraftwerkstechnik V7 Folie 46

47 Prinzip Gas- und Dampfkraftwerk TU Dresden Kraftwerkstechnik V7 Folie 47

48 Prinzip Gas- und Dampfkraftwerk TU Dresden Kraftwerkstechnik V7 Folie 48

49 Gasturbinenkraftwerke und GuD TU Dresden Kraftwerkstechnik V7 Folie 49

50 GuD mit Gegendruckturbine Anwendung: Für Wärme- und Strombedarf größerer Leistungen (> 10 MW elektrisch) Wenn konstante Prozesswärme benötigt wird (z.b.: Papierfabrik) Wenn hoher elektrischer Wirkungsgrad gefordert ist TU Dresden Kraftwerkstechnik V7 Folie 50

51 GuD mit Entnahme- Kondensationsturbine für Wärme- und Strombedarf größerer Leistungen (> 10 MWel) unterschiedliche Anforderungen hinsichtlich Strom- und Wärmebedarf wenn hoher elektrischer Wirkungsgrad gefordert ist TU Dresden Kraftwerkstechnik V7 Folie 51

52 GuD mit Gegendruckturbine Schwachstellen-thermodynamisch: Die höchsten Verluste treten im Abhitzekessel auf, da die Verläufe der Abkühlkurve des Abgases und der Aufwärmkurve des Dampfes mit der Verdampfung zu großen Temperaturdifferenzen führen. Deshalb werden häufig Zweidruck- und auch Dreidruckdampfprozesse verwendet, um eine bessere Anpassung der Dampfkurve an die Abgaskurve zu ermöglichen. Kosten: Der Betrieb von GuD-Anlagen ist sehr teuer. Sie kennzeichnen sich jedoch durch höchste elektrische Wirkungsgrade aus. In der KWK werden sie sinnvoll dann eingesetzt, wenn ein hoher Anteil an Strom erwünscht ist. Entwicklungsstand: KWK-Anlagen mit GuD-Prozess sind technisch sehr ausgereift und darum weltweit in sehr großen Stückzahlen im Einsatz. Die Tendenzen gehen zu Gasturbinen mit hohen Austrittstemperaturen, um einen Dampfprozess mit hohem Wirkungsgrad nachschalten zu können. TU Dresden Kraftwerkstechnik V7 Folie 52

53 Berechnung TU Dresden Kraftwerkstechnik V7 Folie 53

54 Wirkungsgrad GuD TU Dresden Kraftwerkstechnik V7 Folie 54

55 Zusatzfeuerung TU Dresden Kraftwerkstechnik V7 Folie 55

56 Zusatzfeuerung TU Dresden Kraftwerkstechnik V7 Folie 56

57 Zusatzfeuerung TU Dresden Kraftwerkstechnik V7 Folie 57

58 TU Dresden Kraftwerkstechnik V7 Folie 58

59 Auslegung nach verschiedenen Randbedingungen - stromgeführt - wärmegeführt - bei Vorgabe Wärme ohne Dampfturbine - bei Vorgabe Wärme mit Dampfturbine (Gegendruckbetrieb) - bei Vorgabe max. elektr. Leistung (Entnahme-Kondensationsbetrieb) Steigende Gasturbinen-Eintrittstemperaturen (bis derzeit 1300 C) Steigende Wirkungsgrade Kombi-Prozess (von 55 auf 60 % Weiteres Annähern der Wasserlinie an die Rauchgaslinie im AHK, um die Energieverluste durch Wärmeübergang klein zu halten (delta T = 25 K, pinch point) Eindruck/Zweidruck/Dreidrucksystem Nutzung des Rauchgases zur Speisewasservorwärmung statt Anzapfdampf! TU Dresden Kraftwerkstechnik V7 Folie 59

60 Abhitzekessel-Bauarten TU Dresden Kraftwerkstechnik V7 Folie 60

61 Abhitzekessel-Bauarten TU Dresden Kraftwerkstechnik V7 Folie 61

62 Abhitzekesseleinbauten Quelle: Mannesmann Anlagenbau AG TU Dresden Kraftwerkstechnik V7 Folie 62

63 Abhitzekessel ohne Einbauten Quelle: Mannesmann Anlagenbau AG TU Dresden Kraftwerkstechnik V7 Folie 63

64 Gesamtanlage: Gasturbine mit Abhitzekessel Quelle: Mannesmann Anlagenbau AG TU Dresden Kraftwerkstechnik V7 Folie 64

65 GuD-Anlage Nossener Brücke Dresden TU Dresden Kraftwerkstechnik V7 Folie 65