Verbesserungstechniken der Effizienz des Rankine-Kreisprozesses

Dampfkraftwerke bilden nach wie vor den Rückgrat der gesamten Stromerzeugung im asiatisch-pazifischen Raum. Daher hat selbst eine kleine Verbesserung in Form einer Effizienzsteigerung einen enormen Einfluss auf die Einsparung von Brennstoff und auch auf die Reduzierung der Emission von Treibhausgasen.

Daher sollte man keine Gelegenheit verpassen, Wege und Mittel zu finden, um die Effizienz des Dampfkraftwerkszyklus zu steigern.

Die Idee hinter jeder Verbesserung oder Modifikation ist es, die thermische Effizienz des Kraftwerks zu erhöhen. Daher sind die Techniken zur Verbesserung der thermischen Effizienz:

• Durch Senken der durchschnittlichen Temperatur, bei der Wärme vom Arbeitsmedium (Dampf) im Kondensator abgegeben wird. (Senken des Kondensatordrucks)

• Durch Erhöhung der Dampftemperatur, die in die Turbine eintritt

Senken des Kondensatordrucks

Dampf verlässt die Turbine und tritt als sättigte Mischung in den Kondensator ein, in Übereinstimmung mit dem entsprechenden Dampfdruck im Kondensator. Das Senken des Kondensatordrucks hilft immer dabei, mehr nutzbare Arbeit in der Turbine zu erzielen, da eine größere Expansion des Dampfs in der Turbine möglich ist.

Mit Hilfe des T-s-Diagramms kann der Effekt des Senkens des Kondensatordrucks auf die Leistung des Kreisprozesses gesehen und verstanden werden.

Positive Effekte des Senkens des Kondensatordrucks

Um den Vorteil einer höheren Effizienz zu nutzen, muss der Rankine-Zyklus unter einem niedrigeren Kondensatordruck, normalerweise unter atmosphärischem Druck, betrieben werden. Die Grenze für den niedrigen Kondensatordruck wird jedoch durch die Kühlwassertemperatur definiert, die dem Sättigungsdruck des Gebiets entspricht.

Im obigen T-s-Diagramm kann man leicht erkennen, dass der farbige Bereich die Zunahme der netto-Arbeit ausweist, die auf das Senken des Kondensatordrucks von P4 zu P4’ zurückzuführen ist.

Negative Effekte des Senkens des Kondensatordrucks

Der Effekt des Senkens des Kondensatordrucks kommt nicht ohne Nebeneffekte. Daher sind folgende negative Auswirkungen des Senkens des Kondensatordrucks:

• Zusätzlicher Wärmezugang im Kessel aufgrund der verringerten Rückführtemperatur des Kondensats (Effekt des niedrigeren Kondensatordrucks)

• Bei niedrigem Kondensatordruck nimmt die Wahrscheinlichkeit zu, dass der Feuchtigkeitsgehalt des Dampfs in der letzten Expansionsstufe der Turbine zunimmt. Eine Abnahme des Trocknungsgrads des Dampfs in den späteren Stufen der Turbine ist unerwünscht, da sie zu einer leichten Abnahme der Effizienz und zur Erosion der Turbinenschaufeln führt.

Nettoeffekte des Senkens des Kondensatordrucks

Der Gesamteffekt ist eher positiv, da der Anstieg des Wärmezugangs im Kessel marginal ist, während der Anstieg der netto-Arbeit aufgrund des Absenkens des Kondensatordrucks stärker ausfällt. Auch der Trocknungsgrad des Dampfs in den späteren Stufen der Turbine wird nicht über 10-12 % sinken lassen.

Überhitzung des Dampfs auf höhere Temperaturen

Die Überhitzung des Dampfs ist das Phänomen, bei dem Wärme an den Dampf übertragen wird, um ihn bei konstantem Druck im Kessel auf höhere Temperaturen zu überhitzen.

Der schattierte Bereich im obigen T-s-Diagramm zeigt deutlich die Zunahme der netto-Arbeit (3-3’-4’-4) aufgrund der Erhöhung der Überhitztemperatur des Dampfs.

Zusätzlicher Wärmezugang in Form von Energie verlässt den Kreisprozess als Arbeit, d.h. der Anstieg der Arbeit übersteigt den zusätzlichen Wärmezugang und die Wärmeabgabe. Die thermische Effizienz des Rankine-Zyklus steigt aufgrund der Erhöhung der Dampftemperatur.

Positive Effekte der Erhöhung der Dampftemperatur

Ein wünschenswerter Effekt der Erhöhung der Dampftemperatur besteht darin, dass sie nicht zulässt, dass der Feuchtigkeitsgehalt des Dampfs in der letzten Stufe zunimmt. Dieser Effekt kann leicht im T-s-Diagramm (Fig:2) oben gesehen werden.

Negative Effekte der Erhöhung der Dampftemperatur

Die Erhöhung der Dampftemperatur führt zu einer geringfügigen Zunahme des Wärmezugangs. Es gibt eine Grenze, bis zu der der Dampf überhitzt und im Kraftwerk verwendet werden kann. Diese begrenzenden Faktoren sind mit der metallurgischen Belastbarkeit bei hohen Temperaturen und der wirtschaftlichen Machbarkeit verbunden.

Derzeit beträgt die Dampftemperatur am Turbineingang in überschallschnellen Stromerzeugungseinheiten etwa 620oC. Entscheidungen über weitere Erhöhungen der Dampftemperatur können nur nach einer sorgfältigen metallurgischen Prüfung und Bewertung der Kostenfolgen getroffen werden.

Nettoeffekte der Erhöhung der Dampftemperatur

Aus dem T-s-Diagramm (Fig:2) geht hervor, dass der Nettoeffekt der Temperaturerhöhung eher positiv ist, da der Gewinn aus der Netzwerkproduktion den Anstieg des Wärmezugangs und eine geringe Zunahme der Wärmeabgabe übersteigt. Es ist daher immer vorteilhaft, die Dampftemperatur nach der Beurteilung der Zuverlässigkeit und Wirtschaftlichkeit zu erhöhen.

Erhöhung des Kessel