Erstellung eines Simulationsmodells für den Betrieb einer Gas- und Dampfturbinenanlage (GuD)

Inhaltsverzeichnis

1  Einleitung  4

1.1  Aufgabenbeschreibung  4

1.2  Lösungsansatz  4

1.3  Gliederung der Diplomarbeit  6

2  Aufbau und Funktion von GuD-Anlagen  8

2.1  Grundlagen  8

2.1.1  Die GuD-Anlage ohne Zusatzfeuerung  9

2.1.2  Das Kombikraftwerk  9

2.1.3  Das Verbundkraftwerk  9

2.2  Komponenten einer GuD-Anlage  10

2.2.1  Die Gasturbine  10

2.2.2  Der Abhitzekessel im GuD-Prozess  14

2.2.3  Die Dampfturbine im GuD-Prozess  16

2.2.4  Sonstige Komponenten im GuD-System  18

2.3  Betriebsarten und Funktion  19

2.3.1  Der Anfahrvorgang  19

2.3.2  Die GuD-Anlage im Teillastbetrieb  23

2.4  Die Referenzanlage GuD-Anlage Leuna  24

3  Ideen und Konzepte zur Programmerstellung  26

3.1  Programmplanung  26

3.2  Grundidee und Leistungsumfang  26

3.3  Quellen und Unterlagen  27

3.4  Die Programmstruktur  29

4  Die Entwicklungsumgebung Visual Basic 5 0  32

4.1  Kurzbeschreibung  32

4.2  Die Steuerelemente (OCX)  33

4.3  Dynamic Link Libraries (DLL) und das API  34

4.4  Ereignisorientierte Programmierung (EOP)  35

5  Programmerstellung  36

5.1  Einführung  36

5.2  Das Fensterkonzept  36

5.3  Aufbau der grafischen Oberfläche  37

1

INHALTSVERZEICHNIS 2

5.3.1  Das MDI-Formular  37

5.3.2  Das Prozessfenster  38

5.3.3  Das Panel-Formular  39

5.3.4  Das Schreiber-Formular  41

5.3.5  Das Protokoll-Formular  42

5.4  Die Programmierung  42

5.4.1  Das Systemfenster Form3  43

5.4.1.1  Die Timer der Gasturbinen und Abhitzekessel  43

5.4.1.2  Die Timer4 Routine  51

5.4.1.3  Funktionen in Timer6  67

5.4.2  Das Panel Form5  68

5.4.2.1  Die Option ’Anlagen Sollleistung’  68

5.4.2.2  Der Betriebsschalter für den automatischen Betrieb  68

5.4.2.3  Der Button ’Detail’  69

5.4.2.4  Die Gasturbinen Startschalter  69

5.4.2.5  Die vertikalen Scrollbars  69

5.4.2.6  Die Optionsfelder der Simulationsgeschwindigkeit  70

5.4.3  Das Protokoll-Formular Form6  70

5.4.4  Das Schreiber-Formular Form2  70

5.4.4.1  Initialisierung beim Start der Form  71

5.4.4.2  Die Optionsfelder  72

5.4.4.3  Die PictureBox  72

5.4.4.4  Die CheckBox für das Fadenkreuz  73

5.4.5  Das MDI-Formular Form1  73

5.4.5.1  Initialisierung beim Start  73

5.4.5.2  Die CPU-Auslastungsanzeige  75

5.4.5.3  Das Programmmenü  75

5.4.5.4  Die Buttonleiste Toolbar1  75

5.4.5.5  Das Deklarationsmodul Modul1 bas  76

6  Benutzungshinweise  79

6.1  Kompatibilität  79

6.2  Installation  79

6.3  Bedienung  80

7  Ausblick und Einschränkungen  82

7.1  Die Abfahrroutine  82

7.2  Begrenzte Schreiberfläche  82

7.3  Unzureichende Meldungen im Protokollfenster  83

7.4  Statischer Anfahrvorgang  83

7.5  Speicherfunktion  83

7.6  Die Button- und Menüleiste  83

7.7  Prozess mit optimalen Wirkungsgrad  84

8  Schlussbetrachtung  85

INHALTSVERZEICHNIS 3

9 Anhang 87

9.1 Anhang A - Prozessdiagramme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

Kapitel 1

Einleitung

1.1 Aufgabenbeschreibung

Das Ziel dieser Diplomarbeit ist die Simulation einer realen GuD-Anlage ¹ als lauffähiges Programm unter dem Betriebssystem MS-Windows. Als Referenzanlage wurde die GuD-Anlage Leuna-Werke der Leuna-Steag Energiegesellschaft mbH gewählt. Das Programm soll durch verschiedene Darstellungsformen wie Systemschaltbilder, Kurvendarstellungen, Analogbilder verschiedener Parameter einem Kraftwerkswartenplatz ähneln. Primär soll das Programm möglichst in Echtzeit arbeiten und so den Anfahr- und Abfahrprozess simulieren sowie alle Anlagendaten wie Temperaturen, Massenströme und Leistungen auf dem Systembildschirm ausgeben. Der Betrieb der Dampfturbine muss komplett neu berechnet werden, da die Referenzanlage den Niederdruckdampf als Prozessdampf verwendet. Im Programm soll aber eine Kondensationsdampfturbine arbeiten und allen verfügbaren Dampf entspannen. Um die Wartezeiten der Echtzeitsimulation zu verkürzen, eine kalte Anlage benötigt bis zu 7 Stunden bis sie zu 100% hochgefahren ist, soll auch eine Veränderung der Simulationsgeschwindigkeit implementiert werden.

Die Ausgangsmaterialien zur Erstellung des Programms sind originale Datenblätter der GuD-Anlage Leuna-Werke sowie der GuD-Anlage „Agua del Cajon“ in Neuquen / Argentinien. Hierzu gehören Kurvendarstellungen des Anfahr- und Abfahrprozesses der Gasturbinen mit Abhitzekessel sowie diverse Planungsunterlagen der jeweiligen Betreiber. Als Programmiersprache habe ich Visual Basic 5.0 ausgewählt, da sie bei der heutigen Prozessorleistung diesen Anforderungen gerecht wird und leicht zu erlernen ist. Zusätzlich gibt es eine große Auswahl von ActiveX ² Steuerelementen zur freien Benutzung im Internet Sie werden benötigt um diverse Animationen oder Darstellungen des GuD-Prozesses benutzerfreundlich darzustellen.

1.2 Lösungsansatz

Zur Erstellung dieses komplexen Programms gibt es grundsätzlich zwei Möglichkeiten. Die erste ist das komplette Erfassen des GuD-Prozesses in Differentialgleichungen. Da- ¹ Gas-und Dampfturbinenanlage

² Ein Standart von Microsoft, der es ermöglicht, Programmcode in anderen Programmen zu integrieren.

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KAPITEL 1. EINLEITUNG 5

zu wären umfangreiche Messreihen vor Ort nötig und die Zeit für die Erstellung dieser Arbeit würde wahrscheinlich nicht ausreichen. Die Programmiersprache Visual Basic würde ebenfalls an ihre Grenzen stoßen. Ein weiterer Weg ist die Auswertung der Datenblätter und Kurvendarstellungen in einem Betriebsfall, um sie fest als Datentabelle in das Programm einzufügen. So kann man mit wenig Rechenaufwand andere Betriebsfälle ableiten. Natürlich bedeutet das auch eine gewisse Unflexibilität des Programms, die aber hier akzeptiert werden soll.

Der erste Schritt zur Programmerstellung ist die genaue Planung des Kraftwerksaufbaus und die Festlegung der Simulationstiefe. Das bedeutet, es muss die grafische Oberfläche mit allen zu simulierenden Bauteilen gezeichnet oder erstellt werden. Zusätzlich müssen die Ausgabeboxen formatiert und positioniert werden. Zu erwähnen sei noch die Programmierung der Menüleiste, sie wächst mit dem Programm. Ist die Oberfläche erstellt, so kann das Programm mit Programmcode gefüllt werden.

Die Betriebskurven der Referenzanlage werden durch Linearisierung in Abhängigkeit von der Zeit in das Programm eingefügt. Mit diesen Daten kann die Gasturbine und der Abhitzekessel in Echtzeit hoch- und runterfahren. Probleme gibt es natürlich noch genug. Was passiert, wenn zwei oder alle drei Module laufen? Wer öffnet diverse Kesselventile? Wie wird die gemeinsame Sammelleitung geregelt? Dazu muss ein globaler Teil programmiert werden, der diese Regelungsaufgaben übernimmt. Realisiert wurde dieses mit Hilfe eines „Timers“, der in vorgegebenen Intervallen immer den gleichen Programmcode durchläuft und ständig die Betriebsparameter abtastet und bei Bedarf Maßnahmen einleitet. Dieses Programmstück ist praktisch das Herz des Programms, da es alle Komponenten der Anlage miteinander kombiniert. Damit man auch noch später sehen kann, was die Anlage geleistet hat, muss das Programm über einen Schreiber verfügen, der ständig die wichtigsten Anlagenparameter mitschreibt. Dazu eignet sich unter Visual Basic sehr

KAPITEL 1. EINLEITUNG 6

gut die so genannte „PictureBox“. Sie zeigt Grafiken aller Art an und kann auch aus dem Programm heraus für Zeichnungen wie Striche oder Punkte benutzt werden. Da die Anlagendaten in Abhängigkeit von der Zeit gespeichert wurden, kann man die „PictureBox“ auch so skalieren, dass die x-Achse die Zeit und die y-Achse die Betriebsdaten darstellt. Somit kann man mit einfachen Befehlen einen vollständigen Schreiber simulieren. Zum Starten der einzelnen Anlagen wurde ein so genanntes „Panel“ integriert. Es ermöglicht dem Benutzer den Start der Anlage auf Mausklick und gibt zusätzlich analoge Informationen über die wichtigsten Prozessdaten.

Auch wenn der logische Ablauf des Programms bekannt ist, so liegen die Probleme natürlich im Detail. Selbst wenn man die Programmiersprache gut beherrscht, kommt man an den detaillierten Abläufen in der GuD-Anlage nicht vorbei. Als Beispiel muss der globale Programmteil die komplette Regelung des Aufwärmvorgangs der Anlage übernehmen. Das heißt, dass die Dampfleitungen und die Dampfturbine nur in einer bestimmten Geschwindigkeit aufgeheizt werden dürfen. Der Anfahrvorgang der Dampfturbine nimmt die meiste Zeit in Anspruch, eine kalte Dampfturbine benötigt bis zu 6 Stunden bis sie mit 100% Last fahren kann. Ein weiteres Phänomen ist die Aufwärmung der Rohre. Strömt in kalte Rohre heißer Dampf, so kondensiert der Dampf sofort zu Wasser. Das geschieht so lange, bis die Rohre bei vorhandenen Dampfdruck, die Sättigungstemperatur erreicht haben.

1.3 Gliederung der Diplomarbeit

Nachdem die Lösungsansätze und die damit zusammenhängenden Probleme im vorhergehenden Kapitel kurz dargelegt wurden, soll hier auf die weitere Gliederung dieser Arbeit eingegangen werden. Im folgenden Kapitel wird der Aufbau und die Funktion von GuD-Anlagen der gängigsten Konfigurationen erklärt. Dabei wird auch auf die einzelnen Komponenten der Anlagen Rücksicht genommen. Gleichzeitig werden verschiedene Betriebsarten, wie der Anfahrvorgang und der Teillastbetrieb einer GuD-Anlage ohne Zusatzfeuerung erklärt.

In Kapitel 3 wird die Idee sowie das geplante Konzept des Programms erläutert. Durch Programmieransätze und durch die Erklärung der Quellunterlagen wird die Programmstruktur erarbeitet.

Kapitel 4 macht einen kurzen Streifzug durch die Programmiersprache Visual Basic. Hier sollen dem Leser die grundsätzlichen Eigenschaften der Programmierumgebung dargestellt werden.

In Kapitel 5 wird sich eingehend mit der Programmierung des Programms beschäftigt. Es wird von der Erstellung der grafischen Oberfläche bis zu den einzelnen Programmschritten alles bearbeitet. Nach diesem Kapitel ist der Programmaufbau kein Geheimnis mehr. In Kapitel 6 wird auf die Bedienung des Programms eingegangen. Dazu zählen die technischen Voraussetzungen, die Installation und einige Bedienungshinweise, die als Ergänzung zum vorherigen Kapitel gesehen werden können. Ein ausführlicher Hilfetext findet sich im Unterverzeichnis des installierten Programms unter /Hilfe. Kapitel 7 greift Funktionen des Programms auf, die aus den verschiedenen Gründen nicht mehr in das Programm eingeflossen sind. Dabei werden Lösungsansätze und Ausblicke

KAPITEL 1. EINLEITUNG 7

für spätere Versionen erläutert.

In Kapitel 8 wird eine Schlussbetrachtung der Arbeit durchgeführt. In Kapitel 9 sind die Anlagen aufgeführt. Dort finden sich alle Diagramme, die zur Erarbeitung des Programms selbst erstellt wurden.

Auf den letzten Seiten sind das Literatur-, Abbildungs-, und das Tabellenverzeichnis un- tergebracht. Auf einen Index wurde hier verzichtet.

Kapitel 2

Aufbau und Funktion von

GuD-Anlagen

2.1 Grundlagen

Unter dem Begriff „GuD-Anlagen“ versteht man das Zusammenwirken einer Gasturbine mit einem Abhitzedampferzeuger, der eine Dampfturbine mit Heißdampf versorgt und eventuell Prozessdampf für andere industrielle Zwecke bereitstellt. Im Vergleich zu anderen herkömmlichen Kraftwerken liefert also nur die Gasturbine ¹ die nötige Energie zur Dampferzeugung. Die hohe Attraktivität dieser Anlagen ist dem hohem Gesamtwirkungsgrad und den günstigen Herstellungskosten zu verdanken.

Leistung

Tabelle 2.1: Wirkungsgrade und spezifische Kosten pro installierter Leistung [1]

Die Gasturbinen werden mit Gas oder Heizöl betrieben, andere Brennstoffe, wie Kohlegas, sind in der Entwicklung. Die Leistung der Gasturbinen wird nur durch die verwendeten Materialien beschränkt. Die erste Schaufelreihe der Gasturbine muss eine Tempe-  

ratur von bis zu 1300 C aushalten und darf sich dabei nicht bei mehreren tausend Umdrehungen pro Minute verziehen. Moderne GuD-Kraftwerke erzeugen Leistungen bis zu 1350 MW ² .

Man unterscheidet drei Kraftwerkstypen, die GuD-Anlage ohne Zusatzfeuerung, das Kombikraftwerk und das Verbundkraftwerk. Alle drei Kraftwerkstypen nutzen die Abgasenergie der Gasturbine zur Erzeugung von Dampf.

¹ Kombi- und Verbundkraftwerke werden zusätzlich befeuert.

² Das von Siemens gebaute GuD-Kraftwerk in Ambarli/Türkei erreichte als erstes einen Wirkungsgrad von bis zu 53.2% bei 1350MW Leistung.

8

KAPITEL 2. AUFBAU UND FUNKTION VON GUD-ANLAGEN 9

2.1.1 Die GuD-Anlage ohne Zusatzfeuerung

Die GuD-Anlage ohne Zusatzfeuerung ist die einzige Anlage, die nur die Abgasenergie der Gasturbine zur Erzeugung von Dampf nutzt. Eine GuD-Anlage kann aus mehreren Blöcken bestehen. Zu einem Block gehören jeweils eine Gasturbine mit vorgeschaltetem Verdichter und einem Generator, die in der Regel auf einer Welle laufen. Zusätzlich ist jeder Gasturbine ein Abhitzekessel nachgeschaltet, der im Betrieb die heißen Abgase auf eine niedrige Temperatur abkühlt. Die aufgenommene Wärmeenergie wird einem Wasserkreislauf zugeführt, der dann als überhitzter Dampf den Kessel verlässt und eine Dampfturbine antreiben kann. Die Dampfturbinen werden meistens als Gegendruckturbinen ausgelegt, da der teilentspannte Dampf häufig als Prozessdampf oder Heizdampf benötigt wird. Bei GuD-Anlagen mit Kondensationsdampfturbinen wird der höchste Wirkungsgrad von bis zu. 58% erreicht.

2.1.2 Das Kombikraftwerk

Das Kombikraftwerk ist im Prinzip eine herkömmliche Dampfkraftanlage, dem eine Gasturbine vorgeschaltet wurde. Die Gasturbine wandelt dabei einen Teil der zugeführten Brennstoffenergie in elektrische Energie um, der andere Teil wird als Turbinenabgas dem Dampferzeuger zugeführt. Das Turbinenabgas ist gleichzeitig der Sauerstofflieferant für die zusätzliche Feuerung im Dampfkessel. Es enthält durch die magere Verbrennung in der Gasturbine einen Sauerstoffgehalt von ca. 16%. Somit braucht bis zu einer bestimmten Brennleistung kein zusätzlicher Sauerstoff bzw. keine Luft zugeführt werden. Diese Anordnung bietet sich zum Nachrüsten von älteren Dampfkraftwerken an und kann einen Gesamtwirkungsgrad von 44...46% erreichen. Das Kombikraftwerk ist ähnlich aufgebaut wie eine GuD-Anlage mit Zusatzfeuerung.

2.1.3 Das Verbundkraftwerk

In einem Verbundkraftwerk speisen eine GuD-Anlage und eine konventionelle Dampfkraftanlage eine gemeinsame Sammelleitung mit Dampf. Der erzeugte Dampf wird dann in einer Dampfturbine entspannt. Diese Anordnung findet man häufig bei nachgerüsteten Dampfkraftwerken, die durch diese Maßnahme eine Wirkungsgradverbesserung erfahren. Solche Anordnungen können Wirkungsgrade von 45...47% erreichen.

KAPITEL 2. AUFBAU UND FUNKTION VON GUD-ANLAGEN 10

2.2 Komponenten einer GuD-Anlage

An dieser Stelle soll kurz auf die einzelnen Komponenten einer GuD-Anlage eingegangen werden. Mit Komponenten sind die einzelnen Baugruppen wie die Gasturbine, der Abhitzekessel und die Dampfturbine gemeint. Sie sind im Einzelnen für einen guten Wirkungsgrad der Anlage verantwortlich. Alle Komponenten beziehen sich auf eine GuD-Anlage ohne Zusatzfeuerung.

2.2.1 Die Gasturbine

Seit der Erfindung der Gasturbine von Hans Holzwarth ³ ist die Entwicklung weit fortgeschritten. Gasturbinen hatten ihren Höhepunkt erstmals in den dreißiger Jahren, als man sie für den Antrieb von Flugzeugen und U-Booten ⁴ nutzten wollte. Die Vorteile gegenüber den Kolbenmaschinen sind die kompakte Bauweise, keine hin und her laufenden Bauteile und ein günstiges Regelverhalten. Die Gasturbine hat aber auch Nachteile. Zum einen muss die GT ⁵ mit hochwertigem Brennstoff betrieben werden, so dass die

³ Hans Holzwarth: deutscher Ingenieur (1877-1953). Er entwickelte 1905 bis 1908 die Holzwarth-Gasturbine

⁴ Der deutsche Ingenieur Walter entwickelte 1935 eine Gasturbine für U-Boote, die durch Wasserstoffperoxid und Treiböl angetrieben wurde.

⁵ GT: Gasturbine

KAPITEL 2. AUFBAU UND FUNKTION VON GUD-ANLAGEN 11

Schaufeln nicht durch kleine Festkörper verdrecken oder beschädigt werden. Hierzu eignet sich Erdgas und Heizöl. Zum anderen haben die hoch belasteten Bauteile nur eine begrenzte Lebensdauer und unterliegen somit einem höherem Wartungsaufwand. Aber auch die hohe Abgastemperatur kann in manchen Anwendungsfällen zu Problemen führen, da sie häufig nicht erwünscht ist und zu einem schlechten Wirkungsgrad beiträgt. Durch ständige Weiterentwicklung wurde die GT auch für Schiffs- und Kfz-Antriebe verwendet. Dieses waren aber nur Ausnahmefälle oder Entwicklungsstudien. Erst die Entwicklung von größeren und leistungsfähigeren GT brachte die Ingenieure auf die Idee, die GT stationär zur Stromerzeugung zu nutzen und gleichzeitig die sonst verlorengegangene Abgasenthalpie zur Erzeugung von Dampf zu verwenden. Dieses setzt eine hohe Mate-

rialentwicklung voraus, da die Leistung der GT heute nur durch die verwendeten Materialien begrenzt wird. Als Beispiel sei gesagt, das die Turbineneingangstemperatur bis zu

C betragen kann und die Abgastemperaturen bei etwa 550 C liegen. Gleichzeitig 1300

dreht der Läufer teilweise über 5000 U/min ⁶ . Wenn man sich vorstellt, dass unlegierter  

C schmilzt, so bekommt man einen Eindruck Stahl schon bei einer Temperatur von 1460

von den Belastungen einer GT. Gelöst hat man diese Probleme durch die Entwicklung neuer Stahllegierungen und mit der Berechnung optimaler Schaufelprofile, die sich Dank heutiger Computertechnik auf dem Bildschirm durch die Finite-Elemente Technik darstellen lassen. Schaufel- und Gitterprofile wurden so konstruiert, dass sie durch kleine Öffnungen oder anderer konstruktive Maßnahmen einen Kühleffekt durch Zuführung von Kühlluft erreichen. Es gibt auch Techniken in denen die Gitter - und Schaufelprofile durch Kühlwasser auf Temperatur gehalten werden. Aber auch die Brennkammer muss gekühlt werden, da in ihr die höchsten Temperaturen herrschen. Als Kühlmedium dient hier meisten Kühlluft, die an den Brennkammerwänden vorbeigeleitet wird. Es soll hier noch einmal gesagt werden, jede Art von Kühlung zieht in der Regel eine Wirkungsgradverschlechterung nach sich, denn Wärmeenergie geht durch die Kühlung verloren.

Moderne GT arbeiten mit einer verstellbaren Leitschaufel in der ersten Stufe des Verdichters. Hiermit kann die Abgastemperatur in bestimmten Lastbereichen durch eine geregelte Luftzufuhr nahezu konstant gehalten werden. Dieses ist besonders in Teillastbereichen von Vorteil, da so der Abhitzekessel immer die gleiche Abgastemperatur zugeführt bekommt. Eine zusätzliche Leistungsregelung kann dadurch entfallen.

⁶ Bei stationären Großanlagen. Flugzeugtriebwerke können noch größere Drehzahlen haben.

KAPITEL 2. AUFBAU UND FUNKTION VON GUD-ANLAGEN 12

Nimmt man an, eine GT habe einen Wirkungsgrad von 33%, so bedeutet es, dass im günstigsten Fall 33% der aufgewendeten Brennstoffenergie an der Welle als Kupplungsleistung abgegeben werden kann. Wenn man Reibungs- und Spaltverluste vernachlässigt, werden ca. 66% der umgesetzten Leistung benötigt, damit der Verdichter die Umgebungsluft auf den benötigten Turbinendruck bringt. Der Turbineneingangsdruck liegt in etwa bei < 25 bar. Die investierte Energie für den Verdichter ist aber nur scheinbar verloren, denn durch den höheren Turbineneingangsdruck wird Leistung praktisch zurückgewonnen. Sie steht zwar nicht als Kupplungleistung zur Verfügung , ist aber im Abgas der GT gespeichert. Deshalb kann man ungefähr sagen, das 1

als Kupplungsleistung an der Welle zur Verfügung steht und ² mit dem Abgas der GT an die Umwelt abgegeben wird. Bei modernen Gasturbinen gilt das entsprechende Verhältnis in Abhängigkeit vom Wirkungsgrad. Dieser Kreisprozess kann durch den Joule-Prozess als Vergleichsprozess im T, S-Diagramm idealisiert verdeutlicht werden.

Abbildung 2.5: Die Gasturbine als Kreisprozess im T, S-Diagramm

Abbildung 2.5 zeigt den annähernd realen Verlauf des Gasturbinenprozesses. Beginnend mit Punkt 1 wird die Umgebungsluft mit dem Druck p1 auf den Turbinendruck p2 polytrop verdichtet, die Temperatur des Mediums steigt an. Dafür muss der Verdichter Arbeit aufnehmen. Nach dem Verdichten wird der Brennstoff zugeführt und fast isobar verbrannt, dabei steigt die Temperatur bis Punkt 3, die Turbineneintrittstemperatur. Die heißen Gase werden anschließend in der Turbine polytrop entspannt, dabei werden die Abgase abgekühlt und der Druck fällt auf den Umgebungsdruck p4. Es wird Arbeit freigesetzt, die zum Teil vom Verdichter aufgenommen wird. Von Punkt 4 nach 1 werden die Abgase wieder auf Umgebungstemperatur isobar abgekühlt, es wird Energie freigesetzt. Somit schließt sich der Kreislauf.

Der Wirkungsgrad ist aber auch noch von äußeren Faktoren abhängig, die bei der Planung unbedingt berücksichtigt werden müssen. Eine hohe Ansauglufttemperatur oder eine ho- he Luftfeuchtigkeit lassen den Wirkungsgrad sinken. Bei einer relativen Luftfeuchtigkeit

KAPITEL 2. AUFBAU UND FUNKTION VON GUD-ANLAGEN 13

von 60 % und einem Temperaturbereich von -10 C...30 C kann die Wellenleistung um

bis zu 23 % schwanken. Bei hoher Luftfeuchtigkeit und kühler Luft besteht auch die Möglichkeit des Vereisens der Verdichteransaugkanäle. Hier werden häufig Enteisungssysteme eingesetzt, die einfach die Ansaugluft vorwärmen. Das Vereisen der Filtermatten oder das Lösen von Eispartikeln kann zur Zerstörung der GT führen. Auch der Luftdruck wirkt sich auf die Turbinenleistung aus. Die Leistungsänderungen werden in der Regel  

vom Hersteller der GT mit Bezug auf die Normbedingungen, p=1013mbar, tu=15 C, rel.

Luftfeuchtigkeit 60%, angegeben. Die Minderleistung einer GT der GuD-Anlage Leuna beträgt bei einem Luftdruck von 995 mbar 1.76 %. Eine nicht unwesentliche Leistungsverringerung entsteht auch durch die Laufzeit der einzelnen Bauteile. Die Verdichterverschmutzung und Alterung der Turbine haben erhebliche Leistungseinbußen zur Folge. Eine GT in Leuna hat nach 8700 Stunden einen Leistungsabfall von 4.04%. Nur durch regelmäßige Waschvorgänge und durch den Austausch der Schaufeln kann man die Verluste in Grenzen halten.

Weitere hohe Wirkungsgradverluste entstehen im Teillastbereich. Bei einer Leistung von 60% erreicht die GT in Leuna nur noch einen Wirkungsgrad von etwa 25% und bei einer Leistung von 40% nur noch 20.2%. Abbildung 2.6 zeigt den Wirkungsgradverlauf einer GT vom Typ „GE ⁷ Frame 6B (PG 6541B)“ bei verschiedenen Lufttemperaturen und Leistungen.

KAPITEL 2. AUFBAU UND FUNKTION VON GUD-ANLAGEN 14

2.2.2 Der Abhitzekessel im GuD-Prozess

Der Abhitzekessel im GuD-Prozess hat die Aufgabe, aus der Abgasenthalpie der GT, Dampf zu produzieren. Dazu sind mehrere Wärmeübertragungsflächen im Kessel an-geordnet, in denen das fließende Wasser die Wärmeenergie des Abgases aufnimmt, bis es schließlich als überhitzter Frischdampf den Kessel verlässt. Typische Wärmeübertragungsflächen im AHK ⁸ eines GuD-Systems sind der Überhitzer, der Zwischenüberhitzer, der Verdampfer und der Economizer. Der Economizer übernimmt dabei die Speisewas-servorwärmung, der Verdampfer lässt das Wasser verdampfen und die Überhitzerfläche bringt den Dampf auf die gewünschte hohe Temperatur. Ein Zwischenüberhitzer ist in einer GuD-Anlage nicht zwingend nötig, er steigert jedoch den Gesamtwirkungsgrad durch eine erneute Überhitzung des teilentspannten Dampfes, der aus dem Hochdruckteil der Dampfturbine in die Niederdruckdampfturbine geleitet wird und verhindert einen zu hohen Wassergehalt des Dampfes. Der Zwischenüberhitzer findet vor allem Anwendung in GuD-Anlagen mit Kondensationsdampfturbinen. Da der AHK meistens in zwei getrennte Druckkreisläufe aufgeteilt ist, dem Hochdruck- und dem Niederdruckkreislauf, so gibt es die Wärmeübertragungsflächen auch in doppelter Ausführung, nur an anderen Stellen. Die Wärmeübertragungsflächen kann man sich als Rohrbündel im Abgasstrom vorstellen, wobei auch der Kesselkörper aus Rohrbündeln gefertigt ist.

Abbildung 2.7: Gasturbine mit Abhitzekessel und Wärmeübertragungsflächen

Der AHK wird durch die Speisewasserpumpen mit aufbereitetem Wasser versorgt, bis der Wasserstand in den Wasserabscheidern den Sollwert erreicht hat. Dieser Vorgang läuft im Betrieb voll automatisch, da das Wasser durch die ständige Dampfentnahme nachgefüllt werden muss. Gleichzeitig muss die Speisewasserpumpe gegen den Kesseldruck drücken. Die Wasserabscheider dürfen nie völlig gefüllt sein, da sich sonst kein richtiger Dampfdruck mehr erzeugen lässt und es möglich ist, dass Wasser durch die Überhitzerflächen in die Dampfturbine gelangt. Das Wasser strömt durch den Economizer und wird dort vorgewärmt. Anschließend wird das Kesselwasser durch den Verdampfer gepumpt, so dass am Verdampferausgang Dampf in den Wasserabscheider strömt. Ist ein bestimmter Druck im Kesselsystem erreicht, so öffnet das Kesselauslassventil. Der

⁸ AHK: Abhitzekessel

KAPITEL 2. AUFBAU UND FUNKTION VON GUD-ANLAGEN 15

Dampf im Wasserabscheider gelangt nun durch die Überhitzerflächen in die Sammelleitung und kann dort zur Aufwärmung des Systems oder als Frischdampf für die Dampfturbine genutzt werden. Zwischen den beiden Überhitzerflächen des Hochdrucksystems kann Kühlwasser in die Frischdampfleitung gespritzt werden, um so die Dampftemperatur auf einem konstanten Wert zu halten.

Die Leistung eines AHK wird durch die zu produzierende Frischdampfmenge ˙ m FD in

kg/s oder in t/h bezeichnet, sie kann aber auch durch den Rauchgasmassenstrom bestimmt werden. Dazu benötigt man den Massenstrom des Rauchgases, seine spezifische Wärmekapazität und die Ein- und Ausgangstemperatur.

¡ Tabelle 2.2: Rauchgaswerte der GuD-Anlage Leuna bei t u 252 K

  C. Sie ist anla-Zu beachten sei hier noch die hohe Abgastemperatur von ca. 100 genspezifisch durch die TA-Luft ⁹ vorgeschrieben und verhindert eine Kondensation der Wasseranteile im Schornstein. Je nach Bauart des Schornsteins können die Abgastemperaturen auch geringer ausfallen. Aus Tabelle 2.2 kann man die Leistung des AHK wie folgt berechnen:

∆t ¢ ¢

Diese Form der Leistungsberechnung zeigt die aufgenommene Wärmeleistung aus dem Rauchgas der GT, sie sagt jedoch nur indirekt etwas über die tatsächliche Dampfleistung aus. Dazu benötigt man alle Parameter des Dampfes aus dem Hoch- und Niederdruckteil des AHK. Die Differenz der Dampfenthalpien wird dazu aus den Werten des Frischdampfes und des vorgewärmten Speisewassers gebildet. Die Indizes „HDFD“ bedeuten „Hochdruck Frischdampf“ und „NDFD“ bedeutet „Niederdruck Frischdampf“. Damit beträgt die Dampfleistung des Kessels:

¡ P

D ¡

¡ P D

⁹ TA Luft: Technische Anleitung zur Reinhaltung der Luft

KAPITEL 2. AUFBAU UND FUNKTION VON GUD-ANLAGEN 16

Die beiden Leistungswerte differieren um etwa 2.4%. Die Ursache liegt im ungenauen Wert für die spezifische Wärmekapazität des Rauchgases. Sie wurde hier als konstant gesetzt und ist in Wirklichkeit abhängig von der Gastemperatur. Andererseits unterliegen die Tabellenwerte auch gewissen Schwankungen, weil sie teilweise gemessen , berechnet und gerundet wurden. Der Rauchgasmassenstrom ist zum Beispiel hier durch eine Verbrennungsrechnung ermittelt worden.

Der Wirkungsgrad von Dampfkesseln kann nach der allgemeinen Gleichung

errechnet werden. Der Aufwand kann durch die verfügbare Rauchgasleistung der GT beschrieben werden, der Nutzen ist die verfügbare Dampfleistung. Die Dampfleistung wird durch (2.4) beschrieben, die Rauchgasleistung durch (2.1), wobei hier das ∆t angepasst

werden muss. Die effektive Rauchgasleistung liegt zwischen der Turbinenausgangstemperatur und der Umgebungstemperatur.

Das ergibt einen Kesselwirkungsgrad von:

Ein Kesselwirkungsgrad von ca. 82% ist ein durchaus normaler Wert. Er ist weitgehend abhängig von der Abgastemperatur und seiner eigenen Wärmeverluste sowie von diversen Verbrauchern.

2.2.3 Die Dampfturbine im GuD-Prozess

Um den hoch verdichteten Dampf des AHK in elektrische Energie umzuwandeln, benötigt man eine Dampfturbine ¹⁰ . Sie entspannt den Dampf durch verschieden Stufen bis ins

¹⁰ Kolben-Dampfmaschinen dürften hier keine Rolle mehr spielen.

KAPITEL 2. AUFBAU UND FUNKTION VON GUD-ANLAGEN 17

Vakuum ¹¹ und gibt dadurch Leistung an der Welle ab, die im nachgeschalteten Genera-tor in elektrische Energie umgewandelt werden kann. Dabei besteht eine Dampfturbine nicht nur aus einer Turbine sondern häufig aus drei, der Hochdruck-, Mitteldruck- und Niederdruckdampfturbine. Diese Anordnung ist vor allem dann anzustreben, wenn die teilentspannten Dämpfe noch zwischenüberhitzt werden sollen. Würde man nur eine DT benutzen, um den gesamten Dampf zu entspannen, so würde sie erst mal sehr groß werden und müsste über einen großen Bereich die Festigkeit einer HD-DT ¹² haben. Außerdem besteht dann keine Möglichkeit, den Dampf für eine Zwischenüberhitzung abzuzweigen. Ein weiteres Problem wäre die ungleichmäßige Temperaturverteilung der DT. Während

man im Hochdruckbereich mit ca. 500 C rechnen muss, besteht im Niederdruckbereich

nur noch eine Temperatur von ca. 30...50 C. Dies ist eine enorme Belastung für die Bau-

teile, vor allem bei der zu erwartenden Größe der DT ¹³ . Um eine kalte DT auf 100% Leistung zu bekommen, muss sie langsam angewärmt werden. Dieser Vorgang kann bis zu 6 Stunden dauern. Dabei werden Drehzahl und Leistung nach den Vorschriften des Herstellers langsam gesteigert. Eine zu schnelle Aufwärmung strapaziert das Material sehr und es kann im schlimmsten Fall zu einem Totalausfall kommen. Zur Steigerung des Anlagenwirkungsgrades werden DT angezapft. Das bedeutet, dass in einem bestimmten Bereich der DT Leitungen angeschlossen sind, die einen gewissen Teil des Dampfes zur Vorwärmung des Speisewassers transportieren. Aber auch die Entnahme von Dampf für andere Zwecke ist möglich. Um den verschiedenen Anwendungsfällen gerecht zu werden, gibt es auch verschieden Arten von Dampfturbinen.

Dem Niederdruckteil einer Kondensationsdampfturbine ist ein Kondensator nachgeschaltet, der mit Hilfe von Kühlwasser den entspannten Dampf zu Wasser kondensieren lässt. Die dabei entstehende Volumenverringerung bewirkt einen starken Druckabfall, der sich positiv auf die Leistung der DT auswirkt. Beim Anfahren dieses Systems muss der Unterdruck, bis auf 0.05 bar, von einer Vakuumpumpe hergestellt werden. Erst wenn sich der Dampfkreislauf eingestellt hat, kann auf die Pumpe verzichtet werden. Kondensationsdampfturbinen können in allen Bereichen der Stromerzeugung genutzt werden. Der Gegendruckdampfturbine wird nicht ein Kondensator, sondern ein Dampfnetz nachgeschaltet. Dadurch ist es möglich, ein Dampfnetz mit einem bestimmten „Gegendruck“ zu betreiben. Es kann für Heizzwecke oder als Prozessdampf genutzt werden. Übliche Abdampfdrücke liegen zwischen (1...5) bar. Die DT muss so ausgelegt werden, dass nach dem Verlassen der letzten Stufe der Dampf den gewünschten Druck aufweist. Gegendruckdampfturbinen werden meistens in Werks- oder Heizkraftwerken benutzt.

Der Wirkungsgrad einer Dampfturbine kann auch nach Gleichung (2.7) berechnet werden. Der Nutzen ist dabei die Kupplungsleistung und der Aufwand das Enthalpiegefälle bis zum Kondensatordruck bzw. bis zum Abdampfdruck bei Gegendruckturbinen. Bei Anzapf- oder Entnahmedampfturbinen muss das Enthalpiegefälle stückweise berechnet werden, da sich der Massenstrom nach einer Anzapfung oder Entnahme ändert. Bei einer Dampfturbine ohne Anzapfung oder Entnahme ergibt sich der innere Wirkungsgrad zu:

¹¹ Nur bei Kondensationsdampfturbinen.

¹² HD-DT: Hochdruck Dampfturbine

¹³ DT: Dampfturbine

KAPITEL 2. AUFBAU UND FUNKTION VON GUD-ANLAGEN 18

Und die allgemeine innere Leistung:

∑ ∆h§ ¤ ¢ ¡ P i ˙ m D (2.12)

Die effektive Leistung ist die Kupplungsleistung. Sie ist die um die Reibungsverluste verminderte innere Leistung:

η m ¢ ¡ P e P i (2.13)

Der effektive Wirkungsgrad ergibt sich somit aus dem inneren und dem mechanischen Wirkungsgrad:

η e η i η m ¢ ¡ (2.14)

2.2.4 Sonstige Komponenten im GuD-System

Natürlich ist es mit den drei genannten Komponenten nicht möglich, eine GuD-Anlage zu betreiben. Um die einzelnen Komponenten miteinander zu verbinden, muss ein ausgeklügeltes Rohrsystem mit diversen Drosseln und Ventilen verlegt werden, das den Temperaturen und Drücken standhält. Auch eine gute Isolierung trägt zur Wirkungsgradsteigerung bei. Folgend eine Auflistung der sonstigen wichtigsten Komponenten:

1. Die Speisewasserpumpe muss redundant ausgelegt werden. Ein Ausfall dieser Pumpe würde das ganze System schlagartig stilllegen und es könnte zu starken Schäden kommen. Die Speisewasserpumpe kann durch Dampf oder durch einen Elektromotor angetrieben werden. Der Betrieb ist sehr energieaufwendig, da sie gegen den Kesseldruck drückt und eine beachtliche Menge an Speisewasser fördern muss. Aus Kostengründen können Speisewasserpumpen auch zur Speisung von zwei Drucksystemen angezapft werden, das erspart eine Pumpe. Besteht ein GuD-System aus mehreren Modulen, so muss für jedes Modul eine Speisewasserpumpe vorgesehen werden.

2. Der Speisewasserbehälter ist die Quelle der Speisewasserpumpe. In ihm befindet sich das aufbereitete Kesselwasser, das ständig durch den Kondensatstrom und die Wasseraufbereitungsanlage ergänzt wird. Hier wird das Wasser auch durch Anzapfdampf vorgewärmt und entgast.

3. Wenn die GuD-Anlage Prozessdampf auskoppelt, so muss das zurückfließende Wasser in der Regel wieder aufbereitet werden. Auch bei normaler Speisewasserergänzung findet eine Wasseraufbereitung statt. Dazu benötigt man aufwendige Aufbereitungsanlagen, die das Wasser entionisieren und sauerstoffarm machen. Ohne Wasseraufbereitung wäre der Kessel und das Leitungssystem in kürzester Zeit ver- kalkt und stark korrodiert.

KAPITEL 2. AUFBAU UND FUNKTION VON GUD-ANLAGEN 19

4. Auf der Kraftwerkswarte laufen alle Prozessinformationen zusammen. Hier werden die einzelnen Prozesse durch Systembilder auf dem Bildschirm oder auf großen Systemtafeln sichtbar gemacht. Von hier aus kann man direkt auf den Prozess einwirken und Systemparameter verändern. Durch ein Bus-System sind die einzelnen Steuer- und Regelorgane miteinander verbunden.

5. Die elektrische Leistung muss über Transformatoren auf die richtige Netzspannung gebracht werden. Der elektrische Eigenbedarf muss durch eigene Eigenbedarfsschaltungen gesichert werden.

6. Ein Spitzen- oder Reservekessel, der die gesamte Dampfproduktion der Abhitzekessel ersetzen kann, wird eventuell benötigt, um die zugesicherten vertraglichen Leistungen auch in Notfallsituationen zu erfüllen oder bei Spitzenlasten zu unterstützen. Dieser muss auch in Ruhezeiten ständig auf Temperatur gehalten werden, um einen schnellen Start des Kessels zu gewährleisten.

7. Die durch den Kessel und die Gasturbinen erzeugten Abgase müssen über diverse Abgasrohre zu einem Schornstein geführt werden. Höhe und Ausmaße regelt die TA-Luft.

8. Der Kondensator muss durch ein Kühlmedium gekühlt werden. Dazu benötigt man ein Kühlsystem. Dieses kann ein Luft- oder ein Wasserkühlsystem sein. Häufig werden auch beide Systeme verwendet, da die Bestimmungen nur einen bestimmten Wärmefluss in die Gewässer zulassen.

9. Als Letztes seien noch die Gebäude für die einzelnen Anlagen genannt. Dazu gehören nicht nur die Maschinenhäuser sondern auch Lagerhallen für Betriebsstoffe und Büroräume. Diese Gebäude müssen natürlich die Sicherheitsbestimmungen erfüllen und mit Brand- und Gasmeldern ausgerüstet sein.

2.3 Betriebsarten und Funktion

In den vorherigen Abschnitten wurden die verschiedenen Anwendungsgebiete und die einzelnen Komponenten von GuD-Anlagen beschrieben. Hier soll jetzt auf das Zusammenwirken der Elemente bei verschiedenen Betriebsarten eingegangen werden. Unter Betriebsarten sind hier die verschieden Lastzustände sowie der Anfahrvorgang gemeint. Die Ausführungen beziehen sich wieder auf eine GuD-Anlage ohne Zusatzfeuerung.

2.3.1 Der Anfahrvorgang

Der Anfahrvorgang einer GuD-Anlage ist abhängig von der Betriebstemperatur der Anlagen. Ein warmes System kann schneller die Betriebsleistung erreichen als ein kaltes. Zu berücksichtigen sind in erster Linie die Anfahrvorschriften der Hersteller. Hierdurch kann sich der Anfahrvorgang über mehrere Stunden erstrecken. Primär ist es aber auch wichtig, den Anfahrvorgang so kostengünstig wie möglich zu erreichen. Dazu werden schon im Vorfeld genaue Ablaufpläne für die verschiedenen An- und Abfahrvorgänge erstellt, die später automatisch oder manuell ausgeführt werden. Unterschiede gibt es auch durch die