Kombinierter Prozess von Gas- und Dampfturbinen
Der Hauptvorteil der Verwendung des kombinierten Prozesses von Gas- und Dampfturbinen ist eine relativ starke Erhöhung des gesamten Wirkungsgrads und die optimale Ausnutzung von thermischer Energie und der verwendeten Brennstoffe. Die Investitionskosten für die GuD-Kraftwerke sind niedriger als bei separat ausgestatteten Gas- und Dampfkraftwerken . Auch sind die Technologien für GuD-Anlagen erforscht und weisen eine gute Zuverlässigkeit, Leistungsregelbarkeit und Integration in das gesamte Energieerzeugungskonzept auf.
Der Verlauf des thermischen Prozesses bei einer einfachen Gasturbine ist in Abbildung 1 dargestellt und die Ermittlung des thermischen Wirkungsgrades mit Hilfe von Gleichungen ausgeführt (die genaueren Turbinenparameter sind in den GuD Berechnungen ermittelt):
Vereinfacht
Abbildung 1: h,s-Diagramm des einfachen Gasturbinenprozesses
Der Wirkungsgrad des Joule-Prozesses kann mit der Erhöhung des Gasdruckverhältnisses und der Temperatur bei Turbineneintritt verbessert werden. In modernen Gasturbinen ist die maximale Turbineneintrittstemperatur auf 1200-1400°C wegen der Wärmefestigkeit der Werkstoffe begrenzt. Bei einer Antriebsgastemperatur, die höher als 1200°C ist, müssen teurere Materialen herangezogen werden und dies erhöht den Gesamtpreis der Anlage.
Bei einem Druckverhältnis von mehr als 10 ist der Unterschied im Wirkungsgrad nicht sehr groß, dabei wird aber der finanzielle Aufwand umso größer.
| Druckverhältnis | 3 | 6 | 9 | 12 | 15 |
| thermischer Wirkungsgrad | 0,27 | 0,4 | 0,47 | 0,51 | 0,54 |
| Prozesstemperatur | 700°C | 750°C | 800°C | 950°C | 1100°C |
Tabelle 1: Theoretisch erreichbarer Gasturbinenprozess-Wirkungsgrad in Abhängigkeit vom Gasdruckverhältnis [4.24]
Bei Mikro-Gasturbinen liegt der praktische Wert für den elektrischen Wirkungsgrad bei 25-35%. Durch die Aufwärmung von verdichteter Luft kann der thermische Wirkungsgrad verbessert werden. Der offene Joule-Prozess mit Vorwärmung von verdichteter Verbrennungsluft erhöht den thermischen Wirkungsgrad und reduziert damit den Brennstoffverbrauch. Die Verbesserung ist aber nur bei Kleinturbinen mit kleinem Druckverhältnis von Bedeutung.
Der thermodynamische Prozessverlauf bei Dampfturbinen ist in Abbildung 2 dargestellt.
Abbildung 2: Thermodynamischer Prozessverlauf bei einfacher Dampfturbine.
Die Ermittlung des Wirkungsgrades wurde mit Hilfe der Gleichung (4.29) abgeleitet
Der Dampfturbinenwirkungsgrad kann mit Erhöhung der Dampftemperatur und des Drucks verbessert werden. Die Steigerung von p und T ist direkt proportional zu den Dampfturbineninvestitions- und -betriebskosten. Es ist wirtschaftlicher, die kleinen DT mit mittlerem Druck (bis 100 bar) und niedriger Temperatur (ca. 500-600°C) zu betreiben. Der durchschnittliche elektrische Wirkungsgrad bei kleinen Turbinen beträgt ca.30-40%. Deswegen wird für die DT der autarken EE-Anlage ein Druck von 50 bar und eine Temperatur von 450°C angewandt. Dies sichert einen elektrischen Wirkungsgrad der DT von 30%.
Prozessverlauf der GuD-Anlage
Im gekoppelten Prozess der GuD-Anlage findet eine effiziente Verwendung von thermischer Energie statt. In der Verbrennungskammer der Gasturbine wird Luft auf 1200°C aufgeheizt. Das GT-Abgas mit einer Temperatur von 500°C wird für die Dampfturbine im Zwischenüberhitzer verwendet, um den Dampf in der zweiten Mitteldruckturbinenstufe auf 350°C zu bringen. Diese Temperaturen sind wichtig für die Ermittlung des Gesamtwirkungsgrades (thermische und elektrische Energie) der GuD-Anlage. Der Gesamtprozesswirkungsgrad unter Berücksichtigung der zusätzlichen Zwischenüberhitzer wird mit Hilfe von folgenden Gleichungen berechnet:
Der Wirkungsgrad der Zwischenüberhitzer kann wie folgt ermittelt werden:
Der Gesamtwirkungsgrad der GuD-Anlage:
Abbildung 3: T-s Diagramm des GuD-Prozesses