Vorlesung Gasturbinen GuD-Kraftwerke
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- Edmund Baum
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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 13:15 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
Vorlesung Gasturbinen GuD-Kraftwerke
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