Dampfturbinentechnologie: Effiziente Stromerzeugung Antreiben

Eine Dampfturbine ist eine mechanische Vorrichtung, die die thermische Energie von unter Druck stehendem Dampf in nützliche mechanische Arbeit umwandelt. Sie ist das Herzstück eines Kraftwerks. Sie hat einen höheren thermodynamischen Wirkungsgrad und ein niedrigeres Leistungs-Gewichts-Verhältnis. Sie erzielt den größten Teil ihres thermodynamischen Wirkungsgrads durch den Einsatz mehrerer Stufen bei der Expansion des Dampfes, was zu einer größeren Annäherung an den idealen reversiblen Prozess führt. Dampfturbinen sind eine der vielseitigsten und ältesten Primärmover-Technologien, die zum Antrieb eines Generators verwendet werden. Stromerzeugung mit Dampfturbinen wird seit mehr als 100 Jahren eingesetzt. Ein Turbogenerator ist die Kombination einer direkt mit einem Generator verbundenen Turbine zur Erzeugung elektrischer Energie. Große Dampfkraftgeneratoren liefern den Großteil der elektrischen Energie.

Abb. 1 Schematisches Diagramm für dampfturbinenbasierte Stromerzeugung

Der Energieumwandlungsprozess

Dampf hat die folgenden drei Energiekomponenten:

• Kinetische Energie – aufgrund seiner Geschwindigkeit
• Druckenergie – aufgrund seines Drucks
• Interne Energie – aufgrund seiner Temperatur

Die letzten beiden Energiekomponenten zusammen werden als Enthalpie bezeichnet. Die Gesamtenergie des Dampfes kann als Summe von kinetischer Energie und Enthalpie dargestellt werden.

Energieerzeugung mit Dampfturbine involviert drei Energieumwandlungen: Extraktion thermischer Energie aus dem Brennstoff und Verwendung, um Dampf zu erzeugen, Umwandlung der thermischen Energie des Dampfes in kinetische Energie in der Turbine und Verwendung eines Drehstromgenerators zur Umwandlung der mechanischen Energie der Turbine in elektrische Energie.

Hochdruckdampf wird der Turbine zugeführt und passiert entlang der Maschinenachse durch mehrere Reihen abwechselnd fester und beweglicher Schaufeln. Vom Dampfeinlass der Turbine in Richtung Auslasspunkt werden die Schaufeln und der Turbinenhohlraum progressiv größer, um die Expansion des Dampfes zu ermöglichen.

Die feststehenden Schaufeln wirken als Düsen, in denen der Dampf expandiert und mit erhöhter Geschwindigkeit, aber niedrigerem Druck austritt (Bernoullisches Energieerhaltungsprinzip, wonach kinetische Energie zunimmt, wenn Druckenergie abfällt). Wenn der Dampf auf die beweglichen Schaufeln trifft, überträgt er einen Teil seiner kinetischen Energie auf die beweglichen Schaufeln.

Turbinen können Kondensations-, Nicht-Kondensations-, Wiedererhitzungs-, Entnahme- oder Einblasungstyp sein. Kondensationsturbinen werden häufig in Kraftwerken verwendet. Diese Turbinen entlassen Dampf in einem teilweise kondensierten Zustand, typischerweise einer Qualität nahe 90 %, bei einem Druck weit unter Atmosphärendruck an einen Kondensator. Nicht-Kondensationsturbinen sind auch als Gegendruckturbinen bekannt und werden am weitesten für Prozessdampfanwendungen verwendet. Der Auslassdruck wird durch ein Regelventil gesteuert, um den Bedürfnissen des Prozessdampfdrucks gerecht zu werden. Diese werden häufig in Industrien verwendet, in denen große Mengen an Niederdruck-Prozessdampf benötigt werden. Wiedererhitzungsturbinen werden auch fast ausschließlich in elektrischen Kraftwerken verwendet. In einer Wiedererhitzungsturbine verlässt der Dampfstrom einen Hochdruckabschnitt der Turbine und wird zum Kessel zurückgeführt, wo zusätzliche Überhitzung hinzugefügt wird. Der Dampf geht dann zurück in einen Mitteldruckabschnitt der Turbine und setzt seine Expansion fort. In einer Entnahmeturbine wird Dampf aus einer oder mehreren Stufen, bei einem oder mehreren Drücken, für Heizung, Werksprozess oder Speisewassererwärmerbedarf entnommen. Diese Turbinen sind auch als Entnahmeturbinen bekannt. Entnahmeströme können mit einem Ventil gesteuert oder ungesteuert gelassen werden. Einblasungsturbinen führen Niederdampf in einer mittleren Stufe ein, um zusätzliche Leistung zu erzeugen.

Es gibt zwei grundlegende Dampfturbinentypen: Impulsturbinen und Reaktionsturbinen. Die Schaufeln sind so ausgelegt, dass sie die Geschwindigkeit, Richtung und den Druck des Dampfes steuern, während er durch die Turbine strömt.

Im Impulsdesign dreht sich der Rotor aufgrund der Kraft des Dampfes auf den Schaufeln, während das Reaktionsdesign auf dem Prinzip beruht, dass der Rotor seine Drehkraft vom Dampf ableitet, während er die Schaufeln verlässt.

Um die Turbineneffizienz zu maximieren, wird der Dampf in mehreren Stufen expandiert, wobei Arbeit geleistet wird. Diese Stufen werden dadurch charakterisiert, wie die Energie aus ihnen extrahiert wird, und sind als Impuls- oder Reaktionsturbinen bekannt. Die meisten Dampfturbinen verwenden eine Mischung aus Reaktions- und Impulsdesigns. Jede Stufe verhält sich entweder als das eine oder das andere, aber die Gesamtturbine verwendet beides. Typischerweise sind höhere Druckabschnitte Impulstyp und niedrigere Druckstufen Reaktionstyp.

Impulsturbine

Eine Impulsturbine hat feste Düsen, die den Dampfstrom in Hochgeschwindigkeitsstrahlen lenken. Diese Strahlen enthalten signifikante kinetische Energie, die durch die schaufelförmigen Rotorschaufeln in Wellenrotation umgewandelt wird, während der Dampfstrahl die Richtung ändert. Ein Druckabfall tritt nur über den feststehenden Schaufeln auf, mit einem Nettoanstieg der Dampfgeschwindigkeit über die Stufe. Während der Dampf durch die Düse strömt, fällt sein Druck vom Einlassdruck auf den Austrittsdruck (atmosphärischer Druck oder üblicherweise Kondensatorvakuum). Aufgrund dieses hohen Expansionsverhältnisses des Dampfes verlässt der Dampf die Düse mit sehr hoher Geschwindigkeit. Der Dampf, der die beweglichen Schaufeln verlässt, hat einen großen Teil der maximalen Geschwindigkeit des Dampfes beim Verlassen der Düse. Der Energieverlust aufgrund dieser höheren Austrittsgeschwindigkeit wird üblicherweise als Mitführverlust oder Austrittsverlust bezeichnet.

Reaktionsturbine

In der Reaktionsturbine sind die Rotorschaufeln selbst so angeordnet, dass sie konvergente Düsen bilden. Diese Turbinentyp nutzt die Reaktionskraft, die entsteht, wenn der Dampf durch die von den Rotorschaufeln gebildeten Düsen beschleunigt. Der Dampf wird durch die feststehenden Leitschaufeln des Stators auf den Rotor geleitet. Er verlässt den Stator als Strahl, der den gesamten Umfang des Rotors füllt. Der Dampf ändert dann die Richtung und erhöht seine Geschwindigkeit relativ zur Geschwindigkeit der Schaufeln. Ein Druckabfall tritt sowohl über den Stator als auch über den Rotor auf, wobei der Dampf durch den Stator beschleunigt und durch den Rotor abgebremst wird, ohne netto Änderung der Dampfgeschwindigkeit über die Stufe, aber mit einer Abnahme sowohl des Drucks als auch der Temperatur, was die in der Antriebswelle geleistete Arbeit widerspiegelt.

Die beiden Turbinentypen sind in Abbildung 2 dargestellt.

Abb. 2 Turbinentypen

Das Diagramm in Abbildung 3 fasst einen Kesseldampfturbinenzusammenhang zusammen.

Abb. 3 Ein einfacher Kesseldampfturbinenzusammenhang

Die Dampfturbine arbeitet nach grundlegenden Prinzipien der Thermodynamik unter Verwendung des Rankine-Zyklus wie in Abbildung 4 gezeigt. Nach Verlassen des Kessels tritt überhitzter Dampf bei hoher Temperatur und hohem Druck in die Turbine ein. Der Hochtemperatur-/Hochdruckdampf wird mit einer Düse (feste Düse in einer Impulsturbine oder feststehende Schaufeln in einer Reaktionsturbine) in kinetische Energie umgewandelt. Sobald der Dampf die Düse verlassen hat, bewegt er sich mit hoher Geschwindigkeit und wird zu den Schaufeln der Turbine gesendet. Eine Kraft wird auf den Schaufeln durch den Druck des Dampfes auf den Schaufeln erzeugt, was sie bewegt. Ein Generator oder ein solches Gerät kann auf der Welle platziert werden, und die Energie, die im Dampf war, kann nun gespeichert und verwendet werden. Der Gas verlässt die Turbine als gesättigter Dampf bei niedrigerer Temperatur und Druck als er eingetreten ist und wird zum Kondensator geschickt, um gekühlt zu werden.

Abb. 4 T-s Diagramm eines Rankine-Zyklus

Der Abgasdampf aus der Turbine wird im Kondensator zu Wasser kondensiert, der die Verdampfungswärme aus dem Dampf extrahiert. Dies bewirkt, dass das Volumen des Dampfes gegen Null geht, den Druck drastisch auf nahezu Vakuumbedingungen reduziert und somit den Druckabfall über die Turbine erhöht, was die maximale Energiemenge ermöglicht, die aus dem Dampf extrahiert werden kann. Das Kondensat wird dann als Speisewasser in den Kessel zurückgefördert, um wieder verwendet zu werden.

Der Regler ist eine Vorrichtung, die die Drehzahl der Turbine steuert. Die Drehzahlsteuerung einer Turbine mit einem Regler ist notwendig, da die Turbine langsam hochgefahren werden muss, um Schäden zu vermeiden, und die Erzeugung von Wechselstrom eine präzise Drehzahlsteuerung erfordert. Ungesteuerte Beschleunigung des Turbinenrotors kann zu einem Überschreitungsauslösen führen, was bewirkt, dass die Düsenventile, die den Dampfstrom zur Turbine steuern, schließen. Wenn dies fehlschlägt, kann die Turbine weiter beschleunigen, bis sie auseinanderbricht, oft katastrophal. Moderne Turbinen haben einen elektronischen Regler, der einen Sensor verwendet, um die Turbinendrehzahl durch „Betrachten“ der Rotorzähne zu überwachen.

Die Dampfturbine treibt einen Generator an, um die mechanische Energie in elektrische Energie umzuwandeln. Der Generator ist eine rotierende Feld-Synchronmaschine. Die Dampfturbinen sind direkt mit ihren Generatoren gekoppelt. Die Generatoren müssen mit konstanten synchronen Geschwindigkeiten gemäß der Frequenz des elektrischen Energiesystems rotieren. Die häufigste Geschwindigkeit ist 3.000 U/min für Energiesysteme mit 50 Hz Frequenz. Der Energieumwandlungswirkungsgrad dieser Hochleistungsgeneratoren kann bis zu 98 % oder 99 % für sehr große Maschinen betragen.