Einfacher Abhitzedampferzeuger

Die folgende Abbildung zeigt die Verschaltung einer Gasturbine mit einem Abhitzedampferzeuger. Orange umrandet sind die beiden Wärmeübertrager, welche die Wärmeenergie aus dem Abgas der Gasturbine auf den Dampferzeuger übertragen: Die Wärmeübertrager-Komponentenvorlage Wärmeabgabe_Luft bildet den Abhitzekessel HT, und die Wärmeübertrager-Komponentenvorlage Wärmeaufnahme_Dampf bildet den Verdampfer.

Gasturbine mit Abhitzedampferzeuger

Die Parametrierung des Wärmeübertragers wird in den beiden dazugehörigen Komponenten durchgeführt. Alle Wärmeübertrager werden durch die Eingabe der Maximalleistung beschränkt. Werden in den beiden Wärmetauscherhälften (hier Abhitzekessel HT und Verdampfer) unterschiedliche obere Schranken vorgegeben, so wird höchstens die niedrigere wirksam.

In Wärmeübertragern mit dem Wärmeträger Luft wird die maximal übertragbare Energiemenge zusätzlich begrenzt, indem die minimale (bzw. bei der Komponente Wärmeaufnahme_Luft die maximale) Austrittstemperatur \( T_{air\ out,\ min}\) vorgegeben wird.

Aus der vorgegebenen Minimalen Austrittstemperatur des Wärmeübertragers (hier: des Abhitzekessels HT) wird die minimale spezifische Enthalpie \( h_{air\ out,\ min}\) berechnet (siehe Gleichung 1). Aus der minimalen spezifischen Enthalpie \( h_{air\ out,\ min}\) ergibt sich der thermische Enthalpiestrom \( \dot{H}_{air\ out,\ min}\) (siehe Gleichung 2), welcher den tatsächlich austretenden Enthalpiestrom \( \dot{H}_{air\ out}\) beschränkt (siehe Gleichung 3). Diese Form der Beschränkung ist von dem Eintrittszustand (hier: dem Betrieb der Gasturbine und deren Austrittstemperatur) abhängig. Darin unterscheidet sich diese Methode zur Beschränkung von \( \dot{H}_{air\ out}\) von der Vorgabe der Maximalen Wärmeübertragung.

\( \begin{equation} \begin{aligned} h_{air\ out,\ min} &=c_{p,air}\cdot (T_{air\ out,\ min}-T_{ref})&&      \qquad(1)\\[.3cm] \dot{H}_{air\ out,\ min}&=h_{air\ out,\ min}\cdot \dot{m}_{air\ out}&&      \qquad(2)\\[.3cm] \dot{H}_{air\ out} &\geq \dot{H}_{air\ out,min}&&      \qquad(3)\\[.3cm] \dot{Q}_{air\ out} &\leq \dot{H}_{air\ in}-\dot{H}_{air\ out,\ min}&&      \qquad(4)\end{aligned}\end{equation}\\\)

Zur Parametrierung der Wärmeübertrager müssen die minimalen (bzw. maximalen) Austrittstemperaturen vorgegeben werden. Diese sind meist keine technischen Daten, sondern sind systemspezifische Größen. Sie müssen vorab extern für die gegebenen Bedingungen berechnet bzw. abgeschätzt werden.

Abhitzedampferzeuger mit Niedertemperaturwärmeauskopplung

Die Modellierung eines Abhitzedampferzeugers mit Niedertemperaturwärmeauskopplung erfolgt ebenfalls durch die Zusammenschaltung der einzelnen Komponenten. Die folgende Abbildung zeigt eine Möglichkeit der Verschaltung. Hier wird das aus der Gasturbine austretende heiße Abgas zur Dampferzeugung verwendet. Die danach übrige Restwärme des Abgases wird zur Deckung eines Wärmebedarfs auf einem niedrigeren Temperaturniveau genutzt. Dazu wird das Schema um den Abhitzekessel NT (aus der Komponentenvorlage Wärmeabgabe_Luft) und den NT Wärmeübertrager (aus der Komponentenvorlage Wärmeaufnahme_Wasser) erweitert.

Abhitzedampferzeuger mit Niedertemperaturwärmeauskopplung und Zusatzfeuerung

Um eine größere Unabhängigkeit vom Betrieb der Gasturbine zu erreichen, kann ein Abhitzedampferzeuger mit einer Zusatzfeuerung betrieben werden. Die zusätzliche Feuerung hebt das Temperaturniveau des verwendeten Abgassstroms an und steigert die Dampferzeugerleistung.

Die folgende Abbildung zeigt das Schema mit den verschalteten Komponenten. Die Zusatzfeuerung wird in Top-Energy aus drei Komponenten modelliert. Die im abgebildeten Schema als Zusatzfeuerung bezeichnete Komponente wurde aus der Komponentenvorlage Heisswasserkessel gebildet. Daran wurde die Komponente Wärmeabgabe_Wasser angeschlossen, die ihre Wärme an die Komponente Zusatzfeuer (aus der Komponentenvorlage Wärmeaufnahme_Luft gebildet) überträgt. Es handelt sich hier um eine verlustfreie Wärmeübertragung, sodass energetisch kein Unterschied zu der in der Praxis bestehenden direkten Befeuerung des Abgases ohne das Wärmemedium Wasser besteht.

Eine Berücksichtigung der effektiven Steigerung der Wärmeübertragung aufgrund der Pinchverschiebung ist nicht möglich. Die Wärmeübertragungsmenge wird immer durch den Potentialunterschied zwischen ein- und austretendem Medium berechnet. Daher muss die Wirkungsgradsteigerung der Zusatzfeuerung indirekt durch die Parametrierung der Zusatzfeuerungskomponente abgebildet werden.

Abhängig von der Datenlage und der Betriebsweise sind bei der Parametrierung eines Abhitzedampferzeugers bestimmte Eingabedaten zu berechnen. Für den Fall, dass die Dampferzeugungsleistung (der produzierte Dampfmassenstrom) ohne Einsatz der Zusatzfeuerung bekannt ist, wird im Folgenden ein Vorschlag zur Parametrierung vorgestellt.

Die maximale Leistung der Wärmeübertrager Abhitzekessel HT und NT unterscheidet sich jeweils in den Betriebsmodi mit und ohne Zusatzfeuerung. Deshalb lässt sich die Leistung der einzelnen Wärmeübertragerkomponenten nicht durch die Angabe einer allgemeingültigen Maximalen Wärmeübertragung beschränken. Die Austrittstemperatur muss entsprechend der abkühlbaren Energiemenge gewählt bzw. berechnet werden.

Die Austrittstemperatur des Hochtemperatur-Teils des Abhitzekessels (Abhitzekessel HT) wird wie in den folgenden Gleichungen bestimmt. GT steht für den Austrittsabgasstrom aus der Gasturbine, der gleichzeitig der Eintrittsluftstrom (oben) in die Wärmeaufnahmekomponente Zusatzfeuer des durch die Gleichungen beschriebenen Bilanzraums ist.

\( \begin{equation} \begin{aligned} \dot{H}_{GT}+0 [kW]&= \dot{Q}_{Dampf}+\dot{H}_{HT,\ aus}&&      \qquad(5) \\[.3cm]\dot{m}_{GT}\cdot c_{p,\ Gas}\cdot({T_{GT}-T_{ref}})&= \dot{Q}_{Dampf}+\dot{m}_{GT}\cdot c_{p,\ Gas}\cdot({T_{HT,\ aus}-T_{ref}})&&      \qquad(6)\\[.3cm] mit\ c_{p,\ Gas} &= const.:\\[.3cm] \dot{m}_{GT}\cdot c_{p,\ Gas}\cdot({T_{GT}-T_{HT,\ aus}})&= \dot{Q}_{Dampf}&&      \qquad(7)\\[.3cm] \dot{m}_{GT}\cdot c_{p,\ Gas}\cdot({T_{GT}-T_{HT,\ aus}})&=  \dot{m}_{Dampf,\ ohne\ Zusatz}\cdot \Delta h_{Dampf}&&      \qquad(8)\\[.3cm] T_{HT,\ aus}&= T_{GT}- \frac{\dot{m}_{Dampf,\ ohne\ Zusatz}\cdot \Delta h_{Dampf}}{\dot{m}_{GT} \cdot c_{p,\ Gas}} &&      \qquad(9)  \end{aligned}\end{equation}\\\)

Die Gleichungen beziehen sich auf den Nennbetriebszustand. Die Energiebilanz wird um den oberen Teil der Wärmeerzeuger gebildet (siehe folgende Abbildung).

Die Austrittstemperatur des Abhitzekessels NT kann entsprechend berechnet werden. Da es sich hier um eine tatsächliche Austrittstemperatur aus der technischen Komponente handelt, sind die Werte gegebenenfalls auch vorab bekannt. In der Komponente Zusatzfeuerung werden die Zusatzfeuerungsleistung im Nennbetrieb (Thermische Nennleistung) und die Verluste in Form des Thermischen Wirkungsgrads vorgegeben.