Vorlesung Gasturbinen GuD-Kraftwerke

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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 13:30 Uhr Öderaner Str. 21 Eingang HKW (Wache)

3 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 A 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 Kraftwerksanlagen gekoppelt, so dass heute Gasturbinen sowohl in Stadtwerken kleiner Leistung als auch in großen Dampfanlagen vertreten sind. TU Dresden Kraftwerkstechnik V7 Folie 3

4 Gasturbine TU Dresden Kraftwerkstechnik V7 Folie 4

5 Gasturbine TU Dresden Kraftwerkstechnik V7 Folie 5

6 TU Dresden Kraftwerkstechnik V7 Folie 6 Leistungsbilanz Gasturbine 4 1, Luft/Rauchgas exponent Isentropen κ ( ) ( ) ( ) + κ κ κ κ ,, ,, 0 1 0, Gen i,v i, el ) P (P P p p T c h h p p T c h h t c h mit h h m h h m P p RG i p L V i p L L RG G m el m & & Elektrischer Wirkungsgrad u Br el el H m P & Ist abhängig von Turbineneintrittstemperatur Wirkungsgrade der Strömungsmaschinen Druckverluste (An- und Abströmgehäuse, Brennkammer) Spezialfälle der polytropen Zustandsänderung; n 0: isobar, n 1: isotherm, n κ: isentrop, n unendlich: isochor const. V p ; c c κ κ V p

7 Wirkungsgrad Gasturbine TU Dresden Kraftwerkstechnik V7 Folie 7

8 Kühlluft Die Kühlluft wird zum größten Teil der wieder zugeführt, aber der reale Arbeitsrückgewinn ist klein (Strömungsverluste) m& L,BK m& m& m& Kühlung V V m& Kühlung 0,10...0,25 TU Dresden Kraftwerkstechnik V7 Folie 8

9 Energiebilanz Es gilt T ˆ Ein, T energetisch m& h,ein m& Br H U + m& L,BK h V,Aus TU Dresden Kraftwerkstechnik V7 Folie 9

10 Temperaturverhältnisse Temperaturverhältnisse an einer 20 MW-Gasturbine mit einer Schwankungsbreite der Temperaturen vor und hinter der Turbine von ΔT T 0,06 Heizöl, Wasserzugabe TU Dresden Kraftwerkstechnik V7 Folie 10

11 Flammtemperatur Näherungsweise kann für die Flammentemperatur die adiabate Temperatur angesetzt werden. Sie ergibt sich aus der Energiebilanz um die Brennkammer m& Br H U Brennkammerbauarten stehende BK Ringbrennkammer m& m& m& Br,L Br,L Br,L h 4 + m& Br H U m& (0,5...0,66) m& RG V h ad Brennkamme rluftmenge m& RG h c h ad p,rg t ad m& Br,L an der Verbrennung beteiligter Luftmassestrom Adiabate Verbrennungstemperatur t ad TU Dresden Kraftwerkstechnik V7 Folie 11

12 Modell Technologie Gasturbinenmodelle (Hersteller) Ausgewählte Gasturbinenanlagen weisen die folgenden Werte auf - 24/ 26 7FA/ 9FA 9G/ 9H LM6000 Cyclone Trent V84.3A/ V94.3A Leistung MW 165/ / /- 40,5 12,9 51,2 170/ /310 F - (F) F G/H Aeroderivat Aeroderivat F 501G/ 701G G Leistung GUD Wirkungsrad Wirkungsgrad GUD ABB GE/E GE GE E RR Siemens Westinghouse Druckverhältnis Temperatur vor der Turbine Abgasstrom Abgastemperatur MW 250/ / / / /465 % 37,5/ 37,8 % 58,1/ 58,5 35,9/ 35,7 54,6/ 55,1 39,5/ - 58/ 60 38,9 33,7 41,5 38,0 38, ,9/ 58, ,0 19,2 C kg/s 376/ / / ,6 39,3 58,9 454/ 640 C ,0 554/ 780 TU Dresden Kraftwerkstechnik V7 Folie 12

13 Umweltbelastung Die Umweltbelastung durch die Gasturbinenabgase wird bei der Verbrennung von Erdgas und HEL durch NO X und CO (bei schwerem Heizöl auch durch SO 2!) hervorgerufen. Die energetischen Temperaturen hinter der Brennkammer werden noch durch die Kühlluftentnahme am Verdichter erhöht, so dass Flammentemperaturen deutlich (Dt K) über den energetischen Temperaturen liegen. Um trotzdem niedrige Emissionen zu erreichen, sind durch Wassereinspritzung bei Heizölbetrieb Emulsionsbildung (Wasser Heizöl) Vormischbrenner Maßnahmen erarbeitet worden, die die Emission gegenüber den bei Diffusionbrennern verringern. Diskrepanz zwischen hohen Wirkungsgraden und hohen NOx-Emissionen!!! TU Dresden Kraftwerkstechnik V7 Folie 13

14 Zuverlässigkeit Die Vorraussetzung für den weltweiten Einsatz von A ist in den letzten Jahrzehnten erreichte Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit Es werden Zeitverfügbarkeiten von V t 0,85 0,95 erreicht. V τ Betrieb und Bereitschaftszeit Kalenderzeit Ausgeprägt ist aber auch bei A-Serien die Reifmachungsphase. TU Dresden Kraftwerkstechnik V7 Folie 14

15 N E U A N L A G E A L T A N L A G E Gesetzliche Bestimmungen Emission Gasturbine < 100 MW > 100 MW < 100 MW > 100 MW Geänderte Grenzwerte ab gültig 1) NO X mg/nm 3 TA Luft -GASTURBINENANLAGEN Gasturbine Grenzwerte vor Konkretisierung 1) NO X mg/nm 3 SO 2 mg/nm 3 Gas 150 < Gas 35 Öl 200 Trockene Nm 3 /h 350 Abgas Öl u. NO X -arme HEL 0,3 % S Verbrennung Gas 100 ist > Gas 35 Öl 150 anzuwenden Nm 3 /h 300 Abgas Öl u. HEL 0,3 % S Gas 350 < Gas 35 Nm 3 /h 350 Öl u. Öl 300 Abgas 0,3 % S HEL Gas 100 > Gas 35 Nm 3 /h 300 Öl u. Öl 150 Abgas 0,3 % S HEL Leistungsangaben Feuerungswärmeleistung Rußzahl 4 Anfahren 3 Dauerbetrieb 2 4 Anfahren 3 Dauerbetrieb 2 CO mg/nm 3 Im Dauerbetrieb 100 TU Dresden Kraftwerkstechnik V7 Folie 15

16 Emissionen Gasturbinenbrennkammer TU Dresden Kraftwerkstechnik V7 Folie 16

17 Aufbau von A Der Aufbau energetischer A ist vor allem durch die kompakte Ausführung der Einheit Verdichter Brennkammer Gasturbine als Packages bestimmt. Damit sind sowohl die komplette Montage als auch Leistungserprobung im Herstellerwerk möglich, der Kunde kann am Abnahmelauf im Herstellerwerk teilnehmen und die erreichte Güte bewerten. Der Packages Transport auf die Baustelle und der einfache Kraftwerksaufbau bestimmen den Zeitablauf: Auftragserteilung Werksmontage und erprobung der auf Lager gefertigten Baugruppen als Gasturbineneinheit Packagetransport Aufstellung auf der Betonbodenplatte Komplettierung und Inbetriebnahme Insgesamt 6 8 Monate TU Dresden Kraftwerkstechnik V7 Folie 17

18 Aufbau von A Nur bei großen -Anlagen und bei kombinierten Gas-Dampfkraftwerken nähert man sich gelegentlich in der Konzeption den Dampfkraftwerken an. Für die Auswahl von Gasturbinen wird empfohlen: (1) Einordnung der Gasturbine in den Wärmeschaltplan des Kraftwerksprozesses und damit Prozessparameter festlegen (2) Auswahl der Gasturbine nach P el. m& Abgas t Abgas h el Realisierbarkeit Referenzen Zuverlässigkeit Abgasemissionen TU Dresden Kraftwerkstechnik V7 Folie 18

19 Aufbau einer A 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 19

20 Berechnung Gasturbinenprozess TU Dresden Kraftwerkstechnik V7 Folie 20

21 Berechnung Gasturbinenprozess Beispiel: Berechnung eines offenen Gasturbinenprozesses Bei der Gasturbine mit dem Druckverhältnis von p 16 ist die Gasturbineneintrittstemperatur auf 1200 C begrenzt. Ziel der Berechnung ist die Bestimmung der elektrischen Leistung und des elektrischen Wirkungsgrades der Turbine. Angaben: Temperatur der Umgebungsluft t 1 15 C Umgebungsdruck p 1 1 bar Temperatur des Brenngases t b 15 C Gasturbineneintrittstemperatur t C Ansaugluftmassestrom Isentroper Wirkungsgrad des Verdichters m& L 13,22 kg/s h i,v 80,0 % Isentroper Wirkungsgrad der Turbine h i,t 88,0 % Mechanischer Wirkungsgrad der Gasturbine h m 98 % Generator-Wirkungsgrad h G 95 % Heizwert des Brenngases H U kj/kg TU Dresden Kraftwerkstechnik V7 Folie 21

22 Berechnung Gasturbinenprozess Spezifische Wärmekapazität des Brenngases c p,b 2,169 kj/kgk Spezifische Wärmekapazität der Luft bei 1 bar c p,l 1,004 kj/kgk Spezifische Wärmekapazität der Luft bei 16 bar c p,l 1,038 kj/kgk Spezifische Wärmekapazität des Rauchgases bei 1 bar c p,rg 1,085 kj/kgk Spezifische Wärmekapazität des Rauchgases bei 16 bar c p,rg 1,166 kj/kgk Isentropenexponent der Luft und des Rauchgases k 1,4 1. Berechnung der Verdichtertemperatur Entrittsenthalpie der Verbrennungsluft h cp,l 1 0 kj kgk ( T T ) 1,004 ( 288,15-273,15) 1 K 15,06 kj kg TU Dresden Kraftwerkstechnik V7 Folie 22

23 Berechnung Gasturbinenprozess Mit bekannter Eintrittsenthalpie h 1 und unter Vernachlässigung der Druckabhängigkeit der spezifischen Wärmekapazität c p und des Isentropenexponenten k ergibt sich die Austrittsenthalpie h 2 näherungsweise zu h h h h ,06 + i,v kj kg c kj 466,8 kg + p.l p T 1 p 1 0, κ 1 κ 1 kj 1,038 kgk ( ,15) 16 K 1 1,4 1 1,4 1 TU Dresden Kraftwerkstechnik V7 Folie 23

24 Berechnung Gasturbinenprozess Dies entspricht einer Verdichterendtemperatur t 2 von kj 466,8 h2 kg 2 + T ,15K T2 723 K t 450 C c kj p,l 1,038 kgk T 2 2. Berechnung des Brenngasmassestromes Aus der Bilanz um die Brennkammer errechnet sich der erforderliche Brennstoffmassestrom ( m& + m& ) c t m& ( c t + H ) L B p,rg 3 B p,b B U + m& L c p,l t 2 m& B m& L c c p,b p,rg t B t 3 + H c U p,l c t p,rg 2 t 3 kg 0,2518 s TU Dresden Kraftwerkstechnik V7 Folie 24

25 Berechnung Gasturbinenprozess 3. Zustandsgrößen nach der Turbine Enthalpie und Temperatur nach der Turbine mithilfe der Gleichung für die isentrope Zustandsänderung und der Definition des Wirkungsgrades: h 4 h 3 i,t c p,rg p T 3 1 p 4 3 κ 1 κ 1,166 kj kgk kj 629,6 kg 1200K 0,88 1,085 kj kgk ( ,15) K ,4 1 1,4 T 4 h c 4 p,rg + T 0 kj 629,6 kg kj 1,085 kgk + 273,15K T K t C TU Dresden Kraftwerkstechnik V7 Folie 25

26 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 26

27 Anlagenbeispiele TU Dresden Kraftwerkstechnik V7 Folie 27

28 Anlagenbeispiele Anlage mit größerer Leistung: Fa. SIEMENS V64.3 TU Dresden Kraftwerkstechnik V7 Folie 28

29 Anlagenbeispiele Anlage kleinerer Leistung: Fa. OPRA, ca. 1,6 MWel TU Dresden Kraftwerkstechnik V7 Folie 29

30 Anlagenbeispiele Offenes Package der Anlage Schwarza TU Dresden Kraftwerkstechnik V7 Folie 30

31 Anlagenbeispiele zur Zeit größte der Welt von Siemens 340 MW Standort Irsching Als GuD-Prozess verschaltet: 60 % elektrischer Wirkungsgrad (DT 190 MW) 800 kg Luft pro Sekunde 444 t h Betriebszeit pro Jahr Vergleich Leistung Triebwerk Jumbojet 30 MW TU Dresden Kraftwerkstechnik V7 Folie 31

32 Microturbinen Wärmeleistung ca. 70 kw El. Leistung: kw Brennstoffe Erdgas Heizöl Flüssiggas Klärgas Grubengas Erdölbegleitgas Dampferzeugung in kleinen Kesselanlagen Heißwassernetze über 100 C Trockneranlagen Krankenhäuser Wäschereien Nahwärmenetze TU Dresden Kraftwerkstechnik V7 Folie 32

33 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 33

34 Microturbinen (Turbec 100) Nachteile sind der relativ geringe elektrische Wirkungsgrad (27 30 %), sowie die relativ hohen Investitionskosten ( /kwel). TU Dresden Kraftwerkstechnik V7 Folie 34

35 Microturbinen Quelle: Capstone TU Dresden Kraftwerkstechnik V7 Folie 35

36 Kombinierte Gas- und Dampfanlagen Das heutige Gasturbinekraftwerk als zuverlässige und effektive Kraftwerksanlage hat leider einen energetischen Mangel die hohe Abgastemperatur mit t Abgas 500 C erlaubt keine besseren Wirkungsgrade. Die Nutzung dieser energetischen wertvollen Abwärme kann aber in einem nachgeschalteten Dampfprozess erfolgen, der seinerseits mit niedrigen Kondensationstemperaturen (t Kond. t Umgebung ) arbeiten. Eine solche Kopplung der hohen Prozesstemperatur der Wärmezufuhr der Gasturbine (t max,zu >1000 C) und der niedrigen Temperatur der Wärmeabfuhr (t min 30 C) bietet hohe Wirkungsgrade beim GuD-Prozess Carnot-Wirkungsgrad: Carnot 1 T T min max TU Dresden Kraftwerkstechnik V7 Folie 36

37 Kombinierte Gas- und Dampfanlagen TU Dresden Kraftwerkstechnik V7 Folie 37

38 Prinzip Gas- und Dampfkraftwerk TU Dresden Kraftwerkstechnik V7 Folie 38

41 Gasturbinenkraftwerke und GuD Gasturbine, Dampfturbine und Generator auf einer gemeinsamen federgelagerten Fundamentplatte angeordnet (Einwellenmaschine) TU Dresden Kraftwerkstechnik V7 Folie 41

42 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 42

43 GuD mit Entnahme- Kondensationsturbine Anwendung 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 43

44 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 44

45 Berechnung Für den einfachen Prozess ohne Zusatzfeuerung gilt: Q& Zu m& Br H U Q& P Q& ab, Zu P ( 1 ) Q& Zu. Q& Zu, DT Q& Zu TU Dresden Kraftwerkstechnik V7 Folie 45

46 Wirkungsgrad GuD DKW GuD GuD PDKW PDT PDKW Q& Q& Q& h h DKW h GuD Zu,DT P + P m& H Br m& + DKW B U H DKW ab, U + m& DKW Br ( 1 ) ( 1 ) ( 1 ) H U Zu, m& Br H U 0,2 0,2 0,36 Realisiert 0,3 0,2 0,44 Realisiert 0,35 0,25 0,512 Realisiert (0,40) 0,30 0,58 neu TU Dresden Kraftwerkstechnik V7 Folie 46

47 Zusatzfeuerung Der O 2 -Gehalt der Abgase aus der A ist im allgemeinen über 15 Vol.-%-O 2 und damit ausreichend für die Zusatzfeuerung. Der Einfluss der Zusatzfeuerung wird vereinfacht mit folgenden Beziehungen bestimmbar P Q& Q & Abgas, DT PDT Q& + Q& Abgas ZF Q & ZF ( H m& ) U ZF Q& Abgas DuD Q& P Q& ( 1 ) + P + Q& DT ZF TU Dresden Kraftwerkstechnik V7 Folie 47

48 TU Dresden Kraftwerkstechnik V7 Folie 48 Zusatzfeuerung ( ) ( ) ZF ZF DT GuD ZF ZF DT GuD Q Q Q Q Q Q 1 Q Q Q & & & & & & & & & ( ) DT GuD ZF 1 0 Q Q + & & Mit Zusatzfeuerung Fallunterscheidung ( ) ( ) ( ) ( ) [ ] DT GuD DT DT GuD ZF Q Q & &

49 TU Dresden Kraftwerkstechnik V7 Folie 49

50 Auslegung nach verschiedenen Randbedingungen stromgeführt wärmegeführt bei Vorgabe Wärme ohne Dampfturbine bei Vorgabe Wärme mit Dampfturbine (Gegendruckbetrieb) bei Vorgabe max. elektrischen 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 (DT 25 K, pinch point) Eindruck/Zweidruck/Dreidrucksystem Nutzung des Rauchgases zur Speisewasservorwärmung statt Anzapfdampf! TU Dresden Kraftwerkstechnik V7 Folie 50

51 Abhitzekessel-Bauarten TU Dresden Kraftwerkstechnik V7 Folie 51

52 Abhitzekessel-Bauarten TU Dresden Kraftwerkstechnik V7 Folie 52