Dampfturbinen, KWK und Absorptionskältemaschinen: Funktionsweise und Zyklen

Gegendruckturbinen: Definition und Klassifizierung

Basierend auf dem Dampfdruck am Austritt der Turbomaschine unterscheiden wir die Gegendruckturbinen. Der Dampf, nachdem er in der Turbine genutzt wurde, wird bei einem Druck oberhalb des atmosphärischen Drucks extrahiert. Dieser Prozessdampf kann für industrielle Zwecke verwendet werden.

Klassifizierung nach Stufen

1. Einfache oder einstufige Turbinen: Sie besitzen eine Stufe.
2. Verbund- oder mehrstufige Turbinen: Sie besitzen zwei oder mehr Stufen.

Klassifizierung nach Dampfstromrichtung

Eine weitere Klassifizierung von Dampfturbinen erfolgt in Abhängigkeit von der Richtung des Dampfstroms zur Drehachse des Laufrades:

1. Axiale Turbinen: Der Dampfstrom folgt der gleichen Richtung wie die Drehachse. Sie sind die häufigsten Bauarten.
2. Radiale Turbinen: Der Dampfstrom folgt nicht der gleichen Richtung wie die Rotationsachse (muss nicht notwendigerweise senkrecht zur Drehachse stehen). Sie sind weniger verbreitet.

Kondensationsturbinen und ihre Anwendung

Der Abdampf wird unterhalb des atmosphärischen Drucks durch die Kondensation, die im Kondensator stattfindet, abgeführt. Der Kondensator ist ein Wärmetauscher, in dem eine Kühlflüssigkeit durch Rohrbündel zirkuliert, um den Wasserdampf zu kondensieren. Wenn dieser Dampf kondensiert, tritt eine erhebliche Volumenverringerung auf, die ein Vakuum erzeugt. Dies führt dazu, dass der Druck am Turbinenausgang geringer als eine Atmosphäre ist.

Diese Art von Turbinen wird zur Erzeugung großer Leistungen eingesetzt und findet weite Verbreitung in:

• Großen Kohlekraftwerken
• Thermischen Gas- und Dampfturbinen-Kombikraftwerken (GuD)
• Kernkraftwerken

Kombinierte Zyklen und Energieeffizienz

Da die Abgase von Gasturbinen einen hohen Energiegehalt aufweisen, werden diese genutzt, um in einem Abhitzekessel Dampf zu erzeugen. Dieser Dampf besitzt die notwendige Enthalpie, um eine Dampfturbine anzutreiben, in der Regel eine Kondensationsturbine. Der Brennstoff, der in diesen kombinierten Zyklen eingesetzt wird, kann bis zu 55% der eingesetzten Primärenergie liefern.

Zyklus mit Gegendruck-Dampfturbine

Hier wird der Dampf, der die Turbine verlässt, für die Produktion verwendet. Die mechanische Energie wird durch die Expansion von Hochdruckdampf aus einem konventionellen Kessel erzeugt. Diese Energie wird genutzt, um einen Kompressor oder einen elektrischen Generator anzutreiben. Die Ausbeute erreicht Werte von 85–90%.

Ein wichtiger Vorteil dieser Zyklen ist die Möglichkeit, jede Art von Brennstoff (fest, flüssig oder gasförmig) zu nutzen. Dies macht diese Art von Zyklus häufig in Industrien eingesetzt, in denen Restbrennstoffe oder Abwärme anfallen, wie Raffineriegas, Schwarzlauge, Biomasse oder heiße Gase aus Öfen. Daher ist dieser Zyklus profitabler als reine Gasturbinenanlagen.

Gasturbinenanlagen: Aufbau und Effizienz

In Anlagen mit Gasturbinen wird Brennstoff in einer Brennkammer verbrannt, wodurch ein Teil seiner Energie in mechanische Energie umgewandelt wird. Ihr Wirkungsgrad ist niedriger als der von Kolbenmaschinen, sie haben jedoch den Vorteil der Wärmerückgewinnung. Die Wärme ist fast vollständig in ihren Abgasen konzentriert, die bei einer Temperatur von etwa 500 °C liegen und sich daher für Dampferzeuger in einer Erholungsphase eignen.

Klassifizierung von Gasturbinenanlagen

1. Einfacher Zyklus: Der Dampf wird nur zur Erreichung des Betriebsdrucks erzeugt.
2. Kombinierter Zyklus: Dampf wird unter hohem Druck und hoher Temperatur erzeugt, bevor er in einer Dampfturbine expandiert wird.

Der einfache KWK-Zyklus (Kraft-Wärme-Kopplung)

Dies ist die klassische KWK-Anlage. Ihre Anwendung ist sinnvoll, wenn der Dampfbedarf erheblich ist (> 10 t/h). Das Design der Wärmerückgewinnung ist wichtig, da die Wirtschaftlichkeit direkt damit verbunden ist. Im Gegensatz zu Anlagen mit Kolbenmotoren ist der Preis der aus der Turbine gewonnenen Wärme in einem einfachen Gaszyklus von Bedeutung.

Zur Anpassung der KWK-Produktion wird ein Nachbrenner im Dampferzeuger installiert oder ein Teil des Gasturbinenabgases über einen Bypass in die Atmosphäre abgeleitet. Der Nachbrenner verwendet Erdgas als Brennstoff und das Gasturbinenabgas als Oxidationsmittel.

GuD-Anlagen (Gas- und Dampfturbinen): Optimierung

Ein GuD-Zyklus (Gas- und Dampfturbinen-Anlage) hilft dabei, einen Teil des im einfachen Zyklus erzeugten Dampfes zu absorbieren und ermöglicht so eine verbesserte Wärmerückgewinnung. Alternativ kann eine größere Wärmerückgewinnungsgasturbine installiert werden, deren Leistung nicht genutzt würde, wenn der Dampf nicht in einer zweiten Gegendruckturbine verwendet würde. Es handelt sich somit um eine Optimierung des einfachen Zyklus.

In einem GuD-Prozess ist die Dampfversorgung Voraussetzung für das Erreichen der Effizienz. Die folgende Abbildung (Anmerkung: Abbildung fehlt im Text) zeigt ein typisches Schema einer GuD-Anlage mit einem Dampferzeuger auf einem Druckniveau. Dieser Zyklus unterscheidet sich vom einfachen Zyklus dadurch, dass der Dampferzeuger einen Hochdruckkessel und eine Dampfleitung für Gegendruck (Druck des Verbrauchers) aufweist. Die Regelung der Anlage, abhängig von den gestellten Anforderungen zur Dampferzeugung, erfolgt durch den Nachbrenner bei hoher Nachfrage und den Bypass bei niedriger Nachfrage.

Der Absorptionskreislauf (Absorptionskältemaschine)

Der Prozess der Absorptionskältemaschine folgt den gleichen Grundprinzipien wie die mechanische Kühlung:

Grundprinzipien der Absorptionskältemaschine

1. Verdampfung des Kältemittels: Bei niedrigen Temperaturen (unter Unterdruck) wird die Energie für die Verdampfung der Kühlflüssigkeit gewonnen.
2. Kompression: Die Dämpfe des Kältemittels werden auf die richtige Temperatur für die Kondensation gebracht.
3. Kondensation des Kältemittels: Durch Kühlung auf eine Temperatur, die höher ist als die der zu kühlenden Flüssigkeit.

Im Falle der Absorption wird der zweite Vorgang (Kompression) nicht durch einen mechanischen Kompressor durchgeführt, sondern das Kältemittel wird durch eine Umwälzpumpe ersetzt, wodurch die eingesetzte mechanische Energie erheblich reduziert wird.

Damit die Fluidpumpe jedoch arbeiten kann, muss das verdampfte Kältemittel in einer Flüssigkeit absorbiert werden (daher der Name des Prozesses). Hierfür wird eine Flüssigkeit verwendet, die eine hohe Affinität zur Auflösung des Kältemittels (z. B. Ammoniak und Wasser) besitzt. Nach der Absorption wird diese Lösung auf den erforderlichen Druck gepumpt und in eine Destillationskolonne eingeführt, um das Gas (Ammoniak) von der absorbierenden Flüssigkeit (Wasser oder Lithiumbromid) zu trennen. Das Gas kondensiert mit konventionellen Mitteln (unter Abgabe seiner Verdampfungswärme) und ist bereit, die erforderliche Kühlwirkung zu erzeugen.