Kombinierte Gas- und Dampfkraftwerke

Fast zwei Drittel des elektrischen Stromes werden derzeit in Deutschland in Wärmekraftwerken erzeugt, die fossile Brennstoffe verfeuern. Im ersten Drittel dieses Jahrhunderts wurde die Wärme in Dampfanlagen und Dieselmotoren in elektrische Energie umgewandelt. Das zweite Drittel des Jahrhunderts brachte die Entwicklung der Gasturbine hervor und im dritten kamen die kombinierten Gas- und Dampfanlagen (GuD) hinzu. In Bild 1.1 ist in Abhängigkeit von der Leistung deren z.Z. erreichter Wirkungsgrad dargestellt [1.1]. In ihrer heutigen Form hat die GuD-Anlage den höchsten Wirkungsgrad von allen Wärmekraft-werken und bewirkt somit die kleinste Umweltbelastung. Darüber hin-aus ist sie billiger als konventionelle Dampfkraftwerke. Daher werden GuD-Anlagen in zunehmender Zahl geplant und gebaut.

Da die im GT-Abgas enthaltene Abwärme bei GuD die Leistung des Abhitzekessels sowie die Temperatur bzw. den erreichbaren Druck des Dampfes bestimmt, ist es zweckmäßig, auf die Merkmale sowie die Eigenschaften der GT näher einzugehen.

Der Abgaskanal (Bild 3.1) verbindet den runden GT-Diffusoraustritt mit dem viereckigen Kesseleintritt. Der Druckabfall im Abgaskanal verschlechtert den GT-Wirkungsgrad. Daher ist neben der Kanallänge auch die Anzahl der Stromumbiegungen sowie anderer örtlicher Widerstände klein zu halten. Hinsichtlich der Strömung ist der Kanal so zu gestalten, dass die Wirbelbildung minimal wird [3.1]. Zu vermeiden sind Stellen wo die Stromablösung oder örtliche Rückströmungen auftreten könnten. Dort ist die Wärmeübergangszahl örtlich größer, und bei Temperaturwechseln ändert sich die dortige Wandtemperatur schneller als in deren Umgebung, was zu zusätzlichen Wärmespannungen führen kann.

Die Anwendung der GT als Bestandteil einer GuD-Anlage bedarf lediglich einiger baulicher Veränderungen an der GT. Der GuD-Abhitzekessel dagegen, der zum bloßen Wärmetauscher wird, eignet sich nur für den GuD-Dampfkreislauf. Der AK ist hier ein konvektiver Wärmeübertrager mit einem beträchtlich kleineren umbauten Raum als es bei konventionellen Kesseln mit dem voluminösen Strahlungsfeuerraum der Fall ist.

In Bild 5.1 ist das vereinfachte Wärmeschaltbild des Dampfkreislaufes einer mittelgroßen GuD-Anlage dargestellt. Das von der GT ankommende Abgas wird hier in drei AK-Druckstufen, welche den Hoch-, Mittel- und Niederdruckdampf liefern, tief abgekühlt. Der Abdampf des HD-Teils der Dampfturbine wird gemeinsam mit dem Heißdampf von der MD-Druckstufe des Kessels zwischenüberhitzt und danach in den MD-Teil der Turbine geführt. Die Niederdruckstufe des AK erzeugt Sattdampf, welcher gemeinsam mit dem Abdampf des MD-Teils den ND-Teil der Turbine antreibt. Ein Teil des ND-Dampfes dient der Kondensatvorwärmung und Entgasung. Die Kondensatpumpe fungiert hier auch als Speisepumpe der Niederdruckstufe des Kessels.

Durch die Nachfeuerung (Bild 6.1) wird die GT-Abwärme auf ein höheres Temperaturniveau gebracht. Die Nachfeuerung steigert die AK-Dampfleistung sowie die erreichbaren Dampfparameter. Auch die Zwischenüberhitzung wird dadurch möglich.

Bewährt haben sich zwei Verfahren: der Dampfblock mit vorgeschalteten GT und der Verbundblock. Im ersteren Verfahren wurde die möglichst vollständige Nutzung des Sauerstoffgehalts sowie der Abwärme vom Abgas in dem der GT nachgeschalteten Großdampferzeuger angestrebt (Bild 7.1). Bei den ersten, Ende der sechziger Jahre konstruierten Anlagen mit noch niedrigen GT-Parametern war die Luftzahl des Abgases hoch. Daher ließ sich im Dampferzeuger viel Kohlenstaub verfeuern, und die Leistung der Dampfturbine war ein Mehrfaches der GT-Leistung. Die Wärme im GT-Abgas, welches hier die Verbrennungsluft ersetzte und hohe Temperatur besaß, wurde im Großkessel fast vollständig genutzt. Beim Alleinbetrieb der Dampfturbine, z.B. wegen der GT-Störung, wurde die Verbrennungsluft — evtl. durch den Dampf mäßig vorgewärmt — durch einen Reservefrischlüfter geliefert.

Die Anwendung fester Brennstoffe wie Kohle in der GT, die Asche enthalten, ist auf direkte oder indirekte Weise möglich. Die indirekte Methode mit Hilfe der Luftturbine ist die älteste. Hier verfährt man wie bei einem Dampferzeuger, indem man über die Wärmeaustauschfläche eines Lufterhitzers die Wärme des durch die Kohleverbrennung entstandenen Rauchgases auf die vom Verdichter ankommende Luft überträgt, welche erhitzt in der Luftturbine arbeitet [8.1, 8.2, 8.3]. Die Asche verbleibt auf der Rauchgasseite des Lufterhitzers. Wegen der Wärmeübertragung muss der Werkstoff der Heizfläche eine höhere Temperatur haben als die Luft, was den erreichbaren Wirkungsgrad beschränkt.

Der GDT-Prozess kommt vor allem in den USA vor [9.1, 9.2], wo man diesen auch als Cheng-Prozess bezeichnet. Hier entfällt die Dampfturbine, und der im AK erzeugte Dampf wird in die GT eingeschleust (Bild 9.1). Der Luft zugemischt, fließt der Dampf durch die Brenner, welche trotz hoher Luftfeuchte eine gute und stabile Verbrennung sicherstellen müssen. Mit Rücksicht darauf wird der im AK erzeugte Dampfstrom unter einem Fünftel des Luftstromes gehalten. Es gibt auch Anlagen, bei welchen ein Teil des Dampfes erst hinter den Brennern in das Heißgas eingedüst wird, wodurch allerdings dessen Temperatur sinkt und der GT-Wirkungsgrad beeinträchtigt wird (in Bild 9.1 gestrichelt gezeichnet) [9.3]. Daher ist die Dampfeinschleusung vor der GT nur beim Überlastbetrieb zweckmäßig. Als Kesselbauart kommt der Trommelkessel in Frage, welcher mit salzhaltigem Wasser gespeist werden kann. Während es beim GuD nach Bild 1.3 keine Rückwirkung seitens der Dampferzeugung im AK auf die GT-Leistung gibt, ist es beim Cheng-Prozess möglich, nach Bedarf 0 bis 100% des erzeugten Dampfstromes in die GT einzuschleusen und den Rest z. B. an das Heiznetz abzugeben.

Da in jedem Dampfkreislauf auch bei GuD-Anlagen mit Wasser- und Dampfverlusten zu rechnen ist, benötigt man als Ersatz das aufbereitete Zusatzwasser, welches zum Speisewasser bzw. zum umlaufenden Kesselwasser zugegeben wird.