Zwangdurchlauf-Abhitzedampferzeuger / Versuchsstand und Simulation

Zwangdurchlauf-Abhitzedampferzeuger (AHDE) sind in gasbefeuerten Großkraftwerken weit verbreitet. Sie ermöglichen die Produktion von Dampf bei hohen Drücken (bis 260 bar, überkritisch). Hohe Dampfparameter sind Voraussetzung für einen guten Gesamtwirkungsgrad des Kraftwerks. Die Anwendung dieser Technologie ist bisher auf direkt befeuerte Dampferzeuger beschränkt.

In den letzten 10 Jahren haben Gasturbinen-Kraftwerke einen bedeutenden Anteil an der Stromproduktion eingenommen, denn sie sind billiger als Kohlekraftwerke, und sie können schneller errichtet werden. Aber der Nettowirkungsgrad eines Gasturbinen-Kraftwerkes ist geringer als der eines kohlebefeuerten Kraftwerkes (32% im Vergleich zu 42%). Eine Möglichkeit den Wirkungsgrad deutlich zu verbessern besteht darin, die in den Gasturbinenabgasen enthaltene Wärme zu nutzen, um Dampf zu erzeugen, der in einem klassischen Dampfkreislauf zur Stromerzeugung genutzt wird.

Mit dieser Technologie des kombinierten Gas- und Dampfturbinen-Kraftwerks können Nettowirkungsgrade von 55% erreicht werden. Die 60% Marke wird demnächnst erklommen werden. Der Stand der Technik für AHDE in solchen Kraftwerken ist der Naturumlauf-Dampferzeuger. Dieses System kann nur für Drücke bis 160 bar angewendet werden, was eine Beschränkung in der Entwicklung von Gas- und Dampfturbinen-Kraftwerken darstellt.

Unser Ziel ist es, das Zwangdurchlaufsystem auf Gas- und Dampfturbinen-Kraftwerke zu übertragen. Gemeinsam mit Siemens, Unternehmensbereich Energieerzeugung (KWU), untersuchen wir das Verhalten eines solchen Damperzeugers in einem unten näher beschriebenen Versuchsstand.

AHDE nach "Stand der Technik"

Der Schwerpunkt der Untersuchungen liegt auf dem Verhalten des AHDE während eines Kaltstarts des Kraftwerks. Es wird auch die Reaktion des Dampfkreislaufs nach Lastsprüngen der Gasturbine, z. B. beim Netzaufbau nach einem Netzausfall oder bei Lastswechseln zur Netzstabilisierung, analysiert. Betrachtungen zum Verhalten des Dampfkreislaufs bei anormalen Betriebsbedingungen, wie Gas- oder Dampfturbinenschnellschluss oder Lastabwurf des Krafwerks schließen das Forschungsvorhaben ab.

Die Experimente werden am AHDE-Versuchsstand durchgeführt. Die gewonnen Daten dienen nicht nur zur Analyse und Beschreibunge der Abläufe, sondern auch zur Validierung dynamischer Simulationsprogramme. Wir wollen das Programm unseres Industriepartners validieren und gleichzeitig Programme zweier weiterer Forschungseinrichtungen, der Technischen Universität Darmstadt Darmstadt und der Gesellschaft für Anlagen- und Reaktorsicherheit (GRS) überprüfen. Validierte Programme erlauben eine einfachere, sicherere und billigere Auslegung von Neuanlagen, helfen aber auch beim Verständnis der sich im AHDE abspielenden Phänomene, weil sie alle Informationen zur Verfügung stellen, auch physikalische Größen, die nicht einfach gemessen werden können, wie Dampfgehalt oder Enthalpie.

Versuchsanlage

Die Versuchsanlage besteht aus einer "Scheibe" eines großen AHDE. Das Speisewasser durchläuft ein 200 m langes beripptes Rohr, das vom Rauchgas der Gasturbine beheitzt wird. Durch Wärmeübertragung wird das Speisewasser dabei im Economizer (ECO) bis auf Sättigungstemperatur erwärmt, im Verdampfer (VD) vollständig verdampft und schließlich im Überhitzer überhitzt und verlässt den Dampferzeuger als Frisch-dampf. Da die Gasturbine nicht Gegenstand unserer Untersuchungen ist, konnte sie durch einen Brenner ersetzt werden, der Rauchgas mit Gasturbinen ähnlichen Charakteristiken produziert. Daher sind wir nicht auf eine spezielle Gasturbine fest-gelegt, sondern können beliebige Typen und Fahr-weisen abbilden. Die Dampfturbine wird durch ein kontrolliertes Frischdampfventil ersetzt. Über verschiedene Regelkonzepte dieses Ventils können sowohl Festdruck- als auch Gleitdruckbetrieb simuliert werden.