Ausführung von Kesselanlagen
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Ausführung von Kesselanlagen 1 Speisewassereintritt 2 Economiser 3 Dampftrommel 4 Verdampfer 5 Verteiler 6 Asche 7 Kohle und Verbrennungsluft 8 Überhitzer 9 Frischdampfaustritt 10 Abgas 11 Umwälzpumpe 12 Wasserabscheidung a: Naturumlaufkessel b: Zwangsumlaufkessel c: Zwangsdurchlaufkessel (Prinzip Benson) d: Zwangsdurchlaufkessel (Prinzip Sulzer) Vorlesung ETVT3 Seite 1 Fakultät für Ingenieurwissenschaften Energietechnik Vorlesung ETVT3 Seite 2 Fakultät für Ingenieurwissenschaften Energietechnik Vorlesung ETVT3 Seite 3 Fakultät für Ingenieurwissenschaften Energietechnik Vorlesung ETVT3 Seite 4 Fakultät für Ingenieurwissenschaften Energietechnik Bilanzhüllen Vor Erstellen der Bilanz geeigneten Bilanzraum definieren: welche Information will ich erhalten, welche 2 Information ist verfügbar T 2‘ Rauchgas Beispiel: Kessel; Brennstoff und DampfLuftmengen zur Verbrennung, 1 4 temperatur Rauchgasmengen werden abgeführt, eine Dampfmenge wird aus einer 1‘ zugeführten Wassermenge erzeugt 3 Wassertemperatur Verdampfer: Wärmeeintrag über die Rauchgasseite, Aufheizen und Verdampfen von Wasser, Stabilität des Verdampfungsprozesses, evtl. deswegen ein Element des Verdampfers separat betrachten m RG c p , RG ( T 2 T1 ) m H 2 O ( h 4 h 3 ) Q Wärmeübergang, Auftretende mechanische oder thermische Spannungen an einem Rohrelement Q Vorlesung ETVT3 Seite 5 Fakultät für Ingenieurwissenschaften Energietechnik Gas- und Dampfturbinen Dampfturbine Gasturbine Vorlesung ETVT3 Seite 6 Fakultät für Ingenieurwissenschaften Energietechnik Kraft-Wärme-Kopplung, Dampfauskopplung Dampfturbine in KWK: Dampf wird in der Turbine nur soweit entspannt, dass ein für die Anwendung nutzbarer Dampfstrom entsteht, der elektrische Wirkungsgrad ist dadurch etwas niedriger 8 MW Dampfturbine (Siemens) Vorlesung ETVT3 Seite 7 Fakultät für Ingenieurwissenschaften Energietechnik 1.Hauptsatz der Thermodynamik (Energieerhaltungssatz): Jedes System besitzt eine extensive Zustandsgröße Energie, die sich durch Zufuhr oder Abfuhr von Energie über die Systemgrenzen so ändert, dass ihr Zahlenwert nach der Zustandsänderung gleich der algebraischen Summe aus ihrem Zahlenwert vor der Zustandsänderung und der zubzw. abgeführten Energie ist. In einem abgeschlossenen System ist die Summe aller Energieänderungen Null. Für geschlossene Systeme Für abgeschlossenen Systeme E E0 E E1 E2 0 Zustand eines Fluids: U = f(T,V) (innere Energie), H = f(T.P) (Enthalpie) Zahlenwerte experimentelle Ermittlung kalorische ZG Größen der zu- und abgeführten Wärme Enthalpie h, Entropie s, Druck p Darstellung tabellarisch (z.B. Dampftafel) oder graphisch, Zustandsdiagramme (h-s-Diagramm, T-s-Diagramm, p-v-Diagramm, h-T-Diagramm) . q , Temperatur T, Vorteil der Zustandsdiagramme: einfache Handhabung Nachteil der Zustandsdiagramme: weniger Genau Vorlesung ETVT3 Seite 8 Fakultät für Ingenieurwissenschaften Energietechnik Kreisprozesse führen Zustandsänderungen mit einem Stoff durch, der den Anfangszustand wieder erreicht, also im Kreis geführt wird, sind idealisierte Vergleichsprozesse für Kraftwerksprozesse Carnot-Prozess: Stoff ist ein ideales Gas Clausius-Rankine-Prozess: Stoff ist Wasser(dampf) Dampfturbine Joule-Prozess: Stoff ist Gas (Gasturbine) ---- ----- Vorlesung ETVT3 Seite 11 Fakultät für Ingenieurwissenschaften Energietechnik Beschreibung der Kreisprozesse: Isothermen, Adiabaten im pV-Diagramm Zustandsdiagramme idealer Gase, realer Gase, Wasser und Wasserdampf Ideales Gas: Wasser/Wasserdampf PV = const P Isentrope/Adiabate pVκ=const Isentrope/Adiabate für flüssiges Wasser Wasser, flüssig Isentrope/Adiabate für Dampf P Verdampfen/Kondensieren Wasserdampf Isotherme Isotherme V V Ein Kreisprozess entsteht idealisiert durch die Kombination isothermer Expansion und Kompression, isentroper (adiabater) Kompression und Expansion Das Kreisintegral Prozess abgeben kann. Vdp W gibt die Nutzarbeit an, die der Vorlesung ETVT3 Seite 12 Fakultät für Ingenieurwissenschaften Energietechnik Carnot-Prozess im p,V und im T,s-Diagramm W Vdp p 2 q Tds qzu Adiabat/Isentrop T To qzu 3 Isotherm 1 Tu 4 qab qab v 12 23 34 41 s1 Isentrope Kompression unter Zufuhr von Arbeit Isotheme Expansion unter Wärmezufuhr Isentrope Expansion unter Abgabe von Arbeit Isotheme Kompression unter Abfuhr von Wärme Fakultät für Ingenieurwissenschaften Energietechnik s2 s Vorlesung ETVT3 Seite 13 Carnot-Wirkungsgrad dU dW dQ isotherme Expansion (Wärmezufuhr ) : dQ2,3 (S2 S1 )To isotherme Kompression (Wärmeabfuh r ) : dQ4,1 (S2 S1 )Tu Kreisprozess heisst : dU 0 1 0,9 Wirkungsgrad dW dQ2,3 (S S1 )(To Tu ) To Tu 2 To (S2 S1 )To 0,7 Wirkungsgrad dW dQ2,3 dQ4,1 (S2 S1 )(To Tu ) 0,8 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 Temperator To [K] Vorlesung ETVT3 Seite 14 Fakultät für Ingenieurwissenschaften Energietechnik Clausius-Rankine-Prozess im p,V und im T,s-Diagramm W Vdp q Tds p 100 qzu Isotherme 31% 4 1 50 40 Wzu T 0 u 70 12 23 34 41 34% 59% 10 v Wab Verdampfung 20 qab 39% 60 30 pmin qzu 70 Anteil [%] Adiabate/Isentrope 3 Isobare 2 Überhitzen To 90 80 pmax qzu T Vorwärmung qab 10% 90 110 130 150 170 Druck [bar] 27% 190 210 230 s Isentrope Kompression von Wasser unter Zufuhr von Arbeit Isobare Wärmezufuhr, Verdampfung und Überhitzung Isentrope Expansion unter Abgabe von Arbeit. Entspannung des Dampfes Isobare Abfuhr von Wärme, Kondensation Vorlesung ETVT3 Seite 15 Fakultät für Ingenieurwissenschaften Energietechnik 250 Joule-Prozess im p,v und im T,s-Diagramm W Vdp q Tds qzu p T Isobare WTurbine qzu WTurbine WKomp. WKomp. p1 qab v 12 23 34 41 p2 qab s1 s2 s Isentrope Kompression (der Verbrennungsluft) unter Zufuhr von Arbeit Isobare Expansion unter Wärmezufuhr Isentrope Expansion unter Abgabe von Arbeit Isobare Kompression unter Abfuhr von Wärme (i. d. R nicht in der Gasturbine) Vorlesung ETVT3 Seite 16 Fakultät für Ingenieurwissenschaften Energietechnik Bedeutung des Dampfdruckes von Wasser im DTProzess Im Kraftwerksprozess erzeugen die Speisewasserpumpen Drücke von 150-250 bar, das Wasser wird unter diesem Druck verdampft und der Dampf überhitzt auf Temperaturen von 500 – 600°C. In der Turbine wird der Dampf entspannt, der entspannte Dampf im Kühlsystem abgekühlt, hinter der Turbine herrschen durch die partielle Kondensation niedrige Drücke unterhalb Atmosphärendruck, die Temperaturen liegen einige Grad oberhalb der Temperatur des Kühlwassers, beispielsweise bei 25°C entsprechend 32 mbar. Das Kondensat wird der Speisewasserpumpe zugeführt. Weitere Daten sind Dampfdruckdiagrammen oder –tafeln zu entnehmen. Für reale (nicht ideale) Prozesse sind die Zustandsgrößen (T, P, Durchfluss) messbar und bekannt, die kalorischen Zustandsgrößen aus Mollier-Diagrammen oder den Dampftafeln ablesbar Vorlesung ETVT3 Seite 18 Fakultät für Ingenieurwissenschaften Energietechnik Turbinensatz der Firma Siemens Vorlesung ETVT3 Seite 19 Fakultät für Ingenieurwissenschaften Energietechnik Auszug aus der Wasserdampftafel (Sättigungszustand, Temperaturtafel) Temperatur Druck Spez. Volumen [m³/kg] Dichte [kg/m³] Enthalpie [kJ/kg] t [°C] T [K] p [bar] Wasser v‘ Dampf v‘‘ Dampf ρ‘‘ Wasser h‘ 90 363,15 0,7011 0,0010361 2,361 0,4235 376,94 2660,1 100 373,15 1,0133 0,0010437 1,673 0,5977 110 383,15 1,4327 0,0010519 1,210 120 393,15 1,9854 0,0010606 130 403,15 2,7013 0,0010700 r =TΔs [kJ/kg] Dampf h“ Entropie [kJ/kg K] Wasser s‘ Dampf s“ 2283,2 1,1925 7,4799 419,06 2676,0 2256,9 1,3069 7,3554 0,8265 461,32 2691,3 2230,0 1,4185 7,2388 0,8915 1,122 503,72 2706,0 2202,2 1,5276 7,1293 0,6681 1,497 546,31 2719,9 2173,6 1,6344 7,0261 Vorlesung ETVT3 Seite 20 Fakultät für Ingenieurwissenschaften Energietechnik Diagramme für kalorische Zustandsgrößen (T-s-Diagramm) Isenthalpe Isobare Isobare p = konst. Isotherme T = konst. Isochore V = konst. Isentrope s = konst. Isenthalpe h = konst. Adiabat . q 0 2 qrev Tds 1 Vorlesung ETVT3 Seite 23 Fakultät für Ingenieurwissenschaften Energietechnik Diagramme für kalorische Zustandsgrößen (h-s-Diagramm) Vorlesung ETVT3 Seite 24 Fakultät für Ingenieurwissenschaften Energietechnik Hebelgesetz (p-V-Diagramm) x Dampfmasse Gesamtmass e 1 x Flüssigkei tsmasse Gesamtmass e x 0 Siedelinie x 1 Taulinie m ' Masse der siedenden Flüssigkeit m '' Masse des gesättigte n Dampfes (v - v´) (v´´- v) m '' x ' m m '' V V ' V '' m 'v ' m''v '' Für das spez. Volumen v gilt dann: V m ' ' m '' '' v v v 1 x v ' x v '' v ' x v '' v ' m m m Ebenso gilt für die spez. Entropie und die spez. Enthalpie : h h h h x h 1 x h x h T s s u u p v s s ' s '' s ' x s ' 1 x s '' x ' hv h '' '' ' ' x m '' v v ' 1 x m ' v '' v ' '' '' ' '' ' '' v' (Hebelgese tz) Vorlesung ETVT3 Seite 25 Fakultät für Ingenieurwissenschaften Energietechnik Offene Systeme (1. HS für stationäre Fließprozesse) Stationäre Fließprozesse sind durch sogenannte offene Systeme mit . konstantem Massendurchsatz ( m = const.) gekennzeichnet. m ein Pt mkalt mheiß m aus Wärmetauscher Turbine . Unter der Annahme, das Wärme Q12 nur über die festen Grenzen des betrachteten Kontrollvolumens (keine Wärmeleitung in Strömungsrichtung) fließt und die technische Leistung P12 (wenn sich der Dampf in der Turbine entspannt und dabei eine Turbinenwelle in Drehung versetzt) ebenfalls über die Systemgrenze fließt, dann ergibt sich für stationäre Fließprozesse: oder in spezifischen Größen: . . 1 Q12 P12 m h2 h1 c22 c12 g z2 z1 2 q12 w t12 h2 h1 1 2 c2 c12 g z2 z1 2 Zur Abgabe technischer Arbeit (z.B. einer Dampfturbine) tragen somit die Enthalpieabsenkung (Druckabsenkung), die Verminderung der kinetischen Energie (Wasserturbine) und die Verminderung der potentiellen Energie (Wasserturbine) bei. Vorlesung ETVT3 Seite 26 Fakultät für Ingenieurwissenschaften Energietechnik Einfache Dampfkraftanlage (Beispiel für einen Kreisprozess) Anwendung des 1. HS für stationäre Fließprozesse: . . 1 Q 01 P01 m h1 h0 c12 c02 g z1 z0 2 . . 1 Q12 P12 m h2 h1 c22 c12 g z2 z1 2 1 Q 23 P23 m h3 h2 c32 c22 g z3 z2 2 . . 1 Q 30 P30 m h0 h3 c02 c32 g z0 z3 2 . . . Qik Pik 0 Nutzleistung –P des Prozesses: . P Pik Qik 0 Vorlesung ETVT3 Seite 29 Fakultät für Ingenieurwissenschaften Energietechnik Schematisches Schaltbild des Rankine-Prozesses 1 PT . Q Ke 6 5 2 . Q Ko 4 PSP 3 Ideale Zustandsänderungen: Zustand 1: Dampf unter maximalem Druck und der Temperatur To, z.B. 150 bar, 530°C, h1= 3394,8 kJ/kg, s1 = 6,4548 kJ/kgK (Dampftafel) Zustand 2: Entspannter Dampf, Druck ca. 100 mbar, Temperatur ca. 46°C, mit einem Anteil flüssigen Wassers Zustand 3: Wasser (Siedend), Temperatur ca. 46°C, Druck 0,1 bar Zustand 4: Wasser, 150 bar, Temperatur geringfügig erhöht (vernachlässigbar) Vorlesung ETVT3 Seite 30 Fakultät für Ingenieurwissenschaften Energietechnik Rankine-Prozess im T,s Diagramm T 1 qzu Tmax 6 5 Wab 2 Wzu 4 Tmin 3 qab s 4-5: Wasser wird im Kessel erhitzt 5-6: Wasser wird im Kessel verdampft 6-1: Dampf wird überhitzt Qzu=h1-h4 Fakultät für Ingenieurwissenschaften Energietechnik Ideale Prozesse 1-2: In der Turbine wird isentrop entspannt, Druck und Temperatur des Gases sinken, mechanische Arbeit wird abgegeben s2=s1=6,4548 kJ/kgK, die Bestimmung von h gelingt über das Hebelgesetzt (den Dampfanteil) s s2 ' x 2 0,7739 s 2 ' ' s 2 ' h2=2043,75 kJ/kg 2-3: Der Dampf wird im Kondensator vollständig auskondensiert, Wärme wird an das Kühlwasser abgegeben h3=191,83 kJ/kg 3-4: Wasser wird isentrop auf das hohe Druckniveau gebracht, Arbeit wird zugeführt h4-h3= v1‘(p2-p1)=15,14 kJ/kg Vorlesung ETVT3 Seite 31 Rankine Prozess im h,s-Diagramm Ideal isentrope Entspannung in der Turbine von 1 – 2‘ Turbinenleistung PT m ( h1 h2 ) PT m (h1 h2 ' ) Pumpleistung: PSP m (h4 h3 ) Wärmeleistung im Kessel: Q Ke m ( h1 h4 ) Wirkungsgrad für das gewählte Beispiel: th (h1 h2 ) (h4 h3 ) 0,418 h1 h4 Wärmeabfuhr im Kondensator QKo m (h2 ' h3 ) Vorlesung ETVT3 Seite 32 Fakultät für Ingenieurwissenschaften Energietechnik Mittlere Temperatur der Wärmeaufnahme Tm Definition : Tm h2 h1 s2 s1 2 q1, 2 Tds h2 h1 1 th,max c 1 Tu Tm Tu Tm Tm Tm To obere Prozesstemperatur Vergleich Carnot/Rankine für To 550C, p 373,5 bar, Endnässe 0,15 wird Tm 577K : carnot 1 Tu 298 1 0,638 To 823 Rankine 1 Fakultät für Ingenieurwissenschaften Energietechnik Tu 298 1 0,484 Tm 577 Vorlesung ETVT3 Seite 33 T-s- und h-s-Diagramme für einen einfachen Dampfkraftprozess, Exergieverluste Reale Prozesse: - Die Druckerhöhung in der Speisewasserpumpe ist mit einer Entropiezunahme verbunden - Im Kessel treten ein Druckabfall (10 bar) und Wärmeverluste auf - die Entspannung in der Turbine verläuft nicht isentrop, die Entropie des Gases nimmt zu, die Enthalpiedifferenz ist kleiner als im idealen Fall - Im Kondensator wird nicht die Temperatur des Kühlwassers erreicht - Im Kondensator tritt ein Duckverlust auf (0,03 bar) Mit einem Pumpenwirkungsgrad von 85% und einem Turbinenwirkungsgrad von 90% errechnet sich ein Wirkungsgrad von 36,7% Vorlesung ETVT3 Seite 34 Fakultät für Ingenieurwissenschaften Energietechnik Verbesserung des einfachen DT-Prozesses (ohne schaltungstechnische Änderungen) s Temperaturerhöhung Druckerhöhung Vorlesung ETVT3 Seite 35 Fakultät für Ingenieurwissenschaften Energietechnik Thermischer Wirkungsgrad eines einfachen Dampfturbinenprozesses in Abhängigkeit vom Frischdampfzustand sowie Gegendruck (i = 1) Der thermische Wirkungsgrad th hängt also im Wesentlichen vom Frischdampfzustand, von den Kondensationsbedingungen sowie vom inneren Wirkungsgrad der Turbinen ab: th h Turbine h Pumpe h Kessel h Turbine h Pumpe Q zu Die einfache Betrachtung berücksichtigt allerdings noch keine inneren Turbinenwirkungsgrade, so dass reale thermische Wirkungsgrade entsprechend niedriger liegen. Quelle: Energietechnik, Kugeler & Phlippen, Springer-Lehrbuch Fakultät für Ingenieurwissenschaften Energietechnik Vorlesung ETVT3 Seite 36 Verbesserung eines Dampfturbinenprozesses Anhebung des therm. Wirkungsgrades th durch einfache Zwischenüberhitzung im Kessel . Turbinenle istung : PT m h2 h3 h4 h5 Kesselleistung : QKe m h2 h1 h4 h3 . . thermische r Wirkungsg rad : th h2 h3 h4 h5 h2 h1 h4 h3 Vorlesung ETVT3 Seite 37 Fakultät für Ingenieurwissenschaften Energietechnik Beispielwerte: Duckniveau Hochdruckturbine: 250 bar Druckniveau Niederdruckturbine: 60 bar In der Zwischenüberhitzung wird die gleiche Temperatur To wieder erreicht Vorteil: Endnässe ist niedriger Höhere Drücke sind möglich Vorlesung ETVT3 Seite 38 Fakultät für Ingenieurwissenschaften Energietechnik Wirkungsgradsteigerung: Ohne Zwischenüberhitzung: H2-h3 und h3-h4‘wird genutzt Niederdruckturbine: h4-h5 ersetzt h3-h4‘ Vorlesung ETVT3 Seite 39 Fakultät für Ingenieurwissenschaften Energietechnik Abhängigkeit des thermischen Wirkungsgrades vom Kondensatordruck und der Frischdampftemperatur Quelle: Energietechnik, Kugler & Phlippen, Springer-Lehrbuch Fakultät für Ingenieurwissenschaften Energietechnik Vorlesung ETVT3 Seite 47 Bergkamen A (1981) - Dampfleistung 607 kg/s = 2.850 t/h - Frischdampf 190 bar/530 °C - 1 Zwischenüberhitzung 42,5 bar/530 °C - 6 regenerative Speisewasservorwärmer - 747 MW Nennleistung - th = 42,5 % - ges = 36,8 % - pKond = 0,023 bar - Nasskühlturm Vorlesung ETVT3 Seite 48 Fakultät für Ingenieurwissenschaften Energietechnik Neue Projekte: Energie: Wärme aus der Raffinerie Quellen: Bild Wikipedia Text: Karlsruher Stadtzeitung 8. 12. 2006 Fakultät für Ingenieurwissenschaften Energietechnik Stadtwerke und MiRO vereinbaren Zusammenarbeit (red) Abwärme aus der MiRO-Raffinerie bei Knielingen wird in absehbarer Zeit für die Heizung von Wohnungen genutzt. …. Überschüssige Wärme aus dem Niedertemperatur-Bereich der Raffinerie wird voraussichtlich ab 2010 für die Fernwärme nutzbar gemacht. Erste Planungen sehen vor, die Wärme über eine fünf Kilometer lange Transportleitung ähnlich der Leitung vom EnBW-Kraftwerk am Rhein zum Heizkraftwerk West der Stadtwerke zu leiten und von da in das Wärmenetz der Stadtwerke einzuspeisen. Allein im Werk zwei der Raffinerie fallen nach jüngeren Untersuchungen rund 40 Megawatt für die Fernwärme nutzbarer Wärmeleistung an. Mit dieser Menge ist es möglich, immerhin rund 8.000 Haushalte mit Wärme zu versorgen. Die Möglichkeit zur Einsparung von Primärenergie und damit von Kohlendioxid-Emissionen rückt dieses nach Angeben der Stadtwerke und der MiRO in Deutschland einmalige Modell ins Blickfeld. Das Investitionsvolumen beläuft sich auf etwa 27 Millionen Euro. Baubeginn soll – Genehmigungen vorausgesetzt - im Jahr 2009 sein. MiROGeschäftsführer Dr. Hans-Gerd Löhr rechnet damit, die Effizienz seines Werke um etwa drei Prozent zu erhöhen. Die Karlsruher Luft soll um 65.000 Tonnen Kohlendioxid entlastet werden. … Vorlesung ETVT3 Seite 49 Raffinerie Heide Die Raffinerie erzeugt ihre Energie selbst: In einem GuD-Kraftwerk mit Kraft-Wärmekopplung. Es besteht aus drei Hochdruckdampfkesseln mit einer Gesamtleistung von 370 Tonnen Dampf pro Stunde bei 74 bar und 520 Grad Celsius, drei Dampfturbinen und einer vorgeschalteten Gasturbine. Das Kraftwerk kann mit Raffineriegas, verdampftem Flüssiggas und schwerem Heizöl betrieben werden. Das Kraftwerk arbeitet im Netzverbund, überschüssiger Strom wird eingespeist. In den letzten zehn Jahren wurden verschiedene Modernisierungsmaßnahmen durchgeführt, der Wirkungsgrad des Kraftwerks optimiert, um die Ressourcen und die Umwelt zu schonen. Vorlesung ETVT3 Seite 50 Fakultät für Ingenieurwissenschaften Energietechnik Petrochemisches Kombinat Schwedt Lohnverarbeitungsraffinerie 11,5 Mio t Rohöl pro Jahr Kraftwerk 4 Dampferzeuger mit einer installierten Leistung von 1980 t/h 4 Stromerzeuger mit einer Leistung von 300 MW Energiebedarf Durchschnittliche Erzeugung 230 MW Eigenbedarf 30 MW Raffineriebedarf 120 MW Abgabe ins öffentliche Netz: 80 MW Vorlesung ETVT3 Seite 51 Fakultät für Ingenieurwissenschaften Energietechnik
