Dampfturbinen - Axpo-Holz

DampfturbinenDie Dampfturbine mit angebautem elektrischem Generator bildet gleichsam das Herz einesDampfkraftwerks. Mit diesem als Dampfturbosatz bezeichneten Maschinenaggregat wirdeinerseits der vom Dampferzeuger gelieferte Frischdampf in elektrische Energieumgewandelt, andererseits wird insbesondere im Heizkraftwerksbetrieb auch Heiz- undProzessdampf für weitere angeschlossene Dampfverbraucher auf verschiedenenTemperatur- und Druckniveaus zur Verfügung gestellt.Die erste betriebsfähige und betriebssichere Dampfturbine wurde 1883 vom schwedischenIngenieur Carl de Laval als einstufige Gleichdruckturbine mit 30'000 U/min ausgeführt, diedurch ein Zahnradvorgelege auf 3'000 Umdrehungen herabgesetzt wurde. Zur Entspannungdes Dampfes verwendete er eine Düse, die einen zum Auslass hin erweitertenDüsenquerschnitt hatte, und die auch heute noch als Laval-Düse bezeichnet wird. Im Jahredarauf konstruierte der Engländer Parsons die erste Überdruckturbine mit einer Leistung von7.5 kW. In der stürmischen Zeit des "Kraftstroms" am Ende des 19. Jahrhunderts, als dieersten "Kraftzentralen" entstanden, konnten sich die Dampfturbinen rasch gegenüber denKolbendampfmaschinen, die bei gleicher Leistung viel grösser sein mussten, durchsetzen.Im Jahre 1900 wurden in Deutschland die ersten Dampfturbinen in den ElektrizitätswerkenElberfeld und Frankfurt zur Stromerzeugung eingesetzt. Die beiden von C. A. Parsons & Co.gelieferten Elberfelder-Turbinen hatten eine Leistung von je 1 MW. Die Frankfurter-Turbinenwaren die ersten von Brown, Boveri & Co gebauten Parsons-Turbinen, die bereits über eineLeistung von 3 MW verfügten. Mitte der 1960er Jahre war die übliche Leistungsgrösse derKraftwerksturbinen 50 bis 125 MW. Die grössten Turbinen leisteten damals 150 MW. Heutewerden Einwellenturbinen mit Leistungen bis 850 MW gebaut. Zweiwellenanlagen erreichenSpitzenwerte von 1'300 MW.Die typische Dampfturbine eines Holzkraftwerks hat im Vergleich zu den grossenKraftwerksturbinen eine deutlich geringere elektrische Leistung zwischen einigen Megawattbis etwa 20 MW, und sie wird zur Kraft-Wärme-Kopplung eingesetzt. Dazu verfügt sie überDampfentnahmestellen, über die Prozessdampfnetze der Industrie oder Fernwärmenetzeversorgt werden können. Zur Auslegung eines Heizturbosatzes ist eine genaue Ermittlungund Planung des Wärmebedarfs dieser Dampfverbraucher erforderlich.Dr.-Ing. Markus Franz | Dampfturbinen 1

spez. Enthalpie [kJ/kg]Zustandsänderungen des Wasserdampfseine höhere Temperatur, als sie ohne Reibung auftreten würde, und das Enthalpiegefälleund somit die gewinnbare Arbeit wird kleiner. Die Wärme des entspannten Dampfesentspricht dem Verlust, der nicht in mechanische Arbeit umgesetzt werden konnte.410 31310 32h Sh2'210 3x = 0.95x = 0.9110 34 5 6 7 8spez. Entropie [kJ/kg K]Abbildung 1 h,s-Diagramm von Wasser mit Isobaren (schwarze Linien) und Isothermen (rote Linien).Zustandsänderungen einer adiabatisch arbeitenden Turbine sind dargestellt (Blau: Expansion imHeissdampfgebiet, Grün: Expansion ins Nassdampfgebiet).Im rechten Teil der Abbildung 1 ist auch ein für Niederdruckturbinenstufen typischerExpansionsverlauf ins Nassdampfgebiet dargestellt (grüne Punkte). Anfangs überhitzterDampf verliert durch adiabatische Expansion die Überhitzung und geht bei genügend tiefemEnddruck in den gesättigten Zustand über. Er scheidet Feuchtigkeit aus und wird folglichzum Nassdampf. Wieder enden beide Expansionslinien, die isentrope und die irreversible,beim gleichen Enddruck. Da aber der Dampf im Nassdampfgebiet immer einegleichbleibende, zum Sattdampfdruck gehörige Sattdampftemperatur hat, macht sich dieEnergiedissipation im Falle der Nassdampfexpansion nicht durch einen Temperaturanstieg,sondern durch einen höheren Dampfgehalt bemerkbar ( ).Im Folgenden wird die Berechnung des isentropen Enthalpiegefälles einer Dampfturbineaufgezeigt. Der Dampfzustand am Turbineneintritt ist durch den Betriebsdruck und dieÜberhitzungstemperatur vorgegeben, die jeweils für den Kessel festgelegt werden. Damit istauch die spez. Enthalpie und Entropie des Dampfes gegeben. Der Druckam Turbinenaustritt ergibt sich bei Kondensationsturbinen aus der Temperatur desKühlmittels und bei Gegendruckturbinen aus dem Sattdampfdruck im Heizkondensator oderaus dem Druck der zu speisenden Dampfschiene.Dr.-Ing. Markus Franz | Dampfturbinen 3

Zustandsänderungen des WasserdampfsIm ersten Schritt kann mit Hilfe der Zustandsgleichung von Wasser aus der Bedingunggleicher Entropie am Beginn und am Ende der Expansion,, die spezifischeEnthalpie beim Enddruck ermittelt werden.Gleichung 4Mit der so gefundenen Enthalpie kann die isentrope Enthalpiedifferenz berechnet werden:Gleichung 5Der wirkliche Austrittszustand des Wasserdampfes liegt auf der Isobaren , aber beieiner grösseren Entropie . Das verlustbehaftete Enthalpiegefälle erhält man durchMultiplikation der verlustfreien Enthalpiedifferenz mit dem isentropen Wirkungsgrad . Alsisentropen Wirkungsgrad definiert man das VerhältnisGleichung 6welches auch als innerer Wirkungsgrad der Turbine bezeichnet wird. Die Güte einer Turbinewird demnach beurteilt, indem die tatsächlich vom Dampf abgegebene technische Arbeit mitder Arbeit einer reversiblen (isentropen) Entspannung verglichen wird. kann im h,s-Diagramm unmittelbar als Streckenverhältnis abgelesen werden. Je geringer also der innereStufenwirkungsgrad ist, desto höher ist die Temperatur bzw., bei Expansion insNassdampfgebiet, der Dampfgehalt des expandierten Dampfes. Nach Umformung vonGleichung 6 ergibt sich die spezifische Enthalpie im Turbinenaustritt:Der Dampfgehalt am Ende der Expansion lässt sich ausGleichung 7Gleichung 8berechnen. Falls endete die Expansion im Nassdampfgebiet und dieAustrittstemperatur ist identisch mit der Sattdampftemperatur beim Austrittsdruck .Andernfalls liegt noch Heissdampf vor und die Austrittstemperatur kann aus derBedingungmit Hilfe der Wasser-Zustandsgleichung berechnet werden.Gleichung 9Dr.-Ing. Markus Franz | Dampfturbinen 4

Zustandsänderungen des WasserdampfsDie isentropen Wirkungsgrade von Kleinturbinen mit einer elektrischen Leistung von 0.1 bis 5MW betragen ca. 0.8. Ab einer Leistungsklasse von mehr als 5 MW erreichen moderneDampfturbinen innere Wirkungsrade von 0.9. Generell ist der innere Turbinenwirkungsgradvon Stufe zu Stufe unterschiedlich. Im Regelfall haben Hochdruckstufen die höherenWirkungsgrade. Eine höhere Genauigkeit bei der Berechnung der Turbinenleistung ist dahermöglich, wenn für jede Turbinen-Stufengruppe das Enthalpiegefälle jeweils separat miteinem individuellem Stufenwirkungsgrad berechnet wird. Neben den thermodynamischenVerlusten sind aber noch weitere Turbinenverluste zu berücksichtigen. In den Gleit- undDrucklagern des Turbinenläufers entstehen mechanische Verluste, die jedoch im Verhältniszur Turbinenleistung sehr gering sind. Bei Getriebeturbinen verursacht das Getriebe weitereVerluste, die man in der Regel zu den Lagerverlusten hinzurechnen wird. Und schliesslich istauch die Energieumwandlung im Generator mit einem Wirkungsgrad belegt. In Tabelle 1sind Richtwerte für die genannten Verluste in Form von Wirkungsgraden aufgeführt. Dieelektrische Generatorklemmenleistung ergibt sich dann ausGleichung 10Tabelle 1 Richtwerte für die Wirkungsgrade von DampfturbinenGeneratorklemmenleistung0.1 bis 5 MW 5 bis 50 MW0.98 0.990.96 – 0.97 0.97 – 0.98GetriebeartStirnradgetriebePlanetengetriebe0.97 – 0.98 0.98Dampfturbinen sind Teillastempfindlich, d.h. der innere Wirkungsgrad hat sein Maximum imAuslegungs- bzw. Nennlastpunkt und nimmt bei Teillast ab. Für den Betrieb ist das Verhaltender Turbine bei Belastungsänderungen wichtig, da Änderungen der Betriebszustände häufigvorkommen und die Turbine nur für bestimmte Lastfälle berechnet und bemessen wird. DieWirkungsgradeinbusse muss für jede Stufengruppe separat beurteilt werden; sie ist umsogrösser, je grösser die Druckdifferenz zwischen Ein- und Austritt vom Auslegungsfallabweicht. Ein halbempirischer Ansatz, mit dem der veränderliche innere Wirkungsgradbeschrieben werden kann, liefert die Beziehung nach Ray 1 :1 Asok Ray: Dynamic Modeling of power plant turbines for control design. Appl. Math. Modelling,4:109-112, 1980Dr.-Ing. Markus Franz | Dampfturbinen 5

Zustandsänderungen des WasserdampfsGleichung 11Danach kann die Wirkungsgradabnahme in Abhängigkeit von der Änderung der Drehzahlund des isentropen Enthalpiegefälle relativ zum Auslegungsfall berechnetwerden, wobei für moderne Turbinen gilt:. Bei Turbinen mit Kopplung an dasVerbundnetz kann die Drehzahl als annähernd konstant angenommen werden. DerWirkungsgrad im Teillastbereich ist dann nur noch eine Funktion des isentropenEnthalpiegefälles, das wiederum in erster Linie von der Druckdifferenz zwischen Ein- undAustritt der Stufengruppe abhängt. Wenn der Eintrittsdruck stark abfällt oder aber derGegendruck stark ansteigt, wird die isentrope Enthalpiedifferenz geringer.Dass der Ausdruck nach Gleichung 11 zu null wird, wenn, kann wie folgtinterpretiert werden: Bei einer Teillast von 10.8% ist die treibende Druckdifferenz so kleingeworden ist, dass die dann stark reduzierte Dampfströmung die Stufengruppe der Turbinenicht mehr antreiben kann. Der innere Stufenwirkungsgrad geht somit gegen null. Wenn dieisentrope Enthalpiedifferenz und damit auch die Druckdifferenz noch geringer werden, wirdder Wirkungsgrad negativ. In diesem Fall leistet die Turbinenbeschaufelung Arbeit amströmendem Dampf, der sich infolge dessen stark erhitzen kann. Solche Betriebszustände,man spricht von Ventilation, können insbesondere in Entnahmeturbinen auftreten, wenn dieEntnahmemengen so gross werden, dass zu wenig Dampf für die weiteren Turbinenstufenverbleibt.2. Die Energieumwandlung in der DampfturbineEine Turbinenstufe besteht aus einer im Turbinengehäuse befestigten Düsen- oderLeitvorrichtung und einem an der Welle befestigten Laufrad. Die Abbildung 2 veranschaulichtdie grundsätzliche Wirkungsweise. In den Leitschaufeln wird der Dampf entspannt, dabeiwandelt sich potentielle Druckenergie in kinetische Strömungsenergie um, die von denLaufschaufeln des Laufrades aufgenommen und zum Antrieb der Turbinenwelle umgesetztwird. Da eine Stufe nur ein begrenztes Druckgefälle verarbeiten kann, muss dieGesamtexpansion in mehreren hintereinander geschalteten Stufen verarbeitet werden. Dabeinimmt der Druck und die Temperatur ständig ab, und das spez. Volumen nimmt zu. Manunterschiedet zwei Hauptarten von Dampfturbinen, je nachdem, ob die Erzeugung derDampfgeschwindigkeit entweder vollständig in den Leitschaufeln oder aber zum einen Teil inder Leitschaufel, zum anderen Teil in der Laufschaufel erfolgt.Dr.-Ing. Markus Franz | Dampfturbinen 6

DampfturbinenanlageAbbildung 2 Wirkungsweise einer Turbinenstufe 2 .In Gleichdruckturbinen wird das ganze verfügbare Druckgefälle in den Leitschaufeln bis aufden Enddruck entspannt und entsprechend in Geschwindigkeit umgesetzt. Der Dampf strömtdann mit gleichbleibendem Druck durch das Laufrad, in dem er lediglich umgelenkt wird,während der Druck vor und hinter dem Laufrad nahezu identisch ist. Auf die Laufschaufelnwirkt als treibende Kraft der Druck des abgelenkten freien Dampfstrahles.In Überdruckturbinen wird nur ein Teil des verfügbaren Druckgefälles in der Leitschaufel inGeschwindigkeit umgesetzt, der andere Teil in der Laufschaufel. Der Dampf tritt also miteinem Überdruck in die Laufschaufel ein, die ähnlich wie die Leitschaufel wie eine Düsewirkt, in der der Druck abnimmt, während die Strömungsgeschwindigkeit infolge derExpansion zunimmt. Dadurch wirkt auf die Laufschaufel als treibende Kraft neben demBahndruck des abgelenkten Dampfstrahls noch der Rückstoss des in der Laufschaufelbeschleunigten Dampfstrahles.In Abbildung 3 sind die Profile einer Gleichdruck- und einer Überdruckbeschaufelungdargestellt. Bereits am Profil der Turbinenbeschaufelung lässt sich die Turbinenbauarterkennen. Weist das Profil einen sichelförmigen Querschnitt auf, handelt es sich um einGleichdruckstufe. Wenn aber die Laufschaufel ein ähnliches Profil aufweist wie dieLeitschaufel, arbeitet die Stufe nach dem Überdruckprinzip. Im rechten Teil der Abbildung 3sind die Geschwindigkeitsdreiecke abgebildet, in denen Grösse und Richtung derDampfgeschwindigkeiten im Ein- und Austritt der Laufschaufel aufgetragen sind.In einer Gleichdruckturbinenstufe wird das ganze Enthalpiegefälle in einer Leitvorrichtung inGeschwindigkeit c 1 umgesetzt. In die mit der Umfangsgeschwindigkeit u bewegteLaufschaufel tritt der Dampf mit der aus dem Parallelogramm der Geschwindigkeiten sich2 Bildquelle: Fritz Dietzel, Dampfturbinen, Hanser-Verlag 1980Dr.-Ing. Markus Franz | Dampfturbinen 7

Dampfturbinenanlageergebenden relativen Eintrittsgeschwindigkeit w 1 ein. In der Laufschaufel wird derDampfstrahl umgelenkt, wodurch eine Stossdruckkraft an das Laufrad ausgeübt wird, dieumso grösser ist, je stärker die Strömung innerhalb der Laufschaufel umgelenkt wird. Ausder Laufschaufel tritt der Dampf mit der relativen Geschwindigkeit w 2 aus. Aus w 2 und derUmfangsgeschwindigkeit u ergibt sich aus dem Parallelogramm der Geschwindigkeiten dieabsolute Austrittsgeschwindigkeit c 2 .Abbildung 3 Profile von Leitschaufeln (Le) und Laufschaufeln (La) einer Gleichdruckturbinenstufe (oben)und einer Überdruckturbinenstufe (unten) mit Geschwindigkeitsdreiecken 3 .Aus dem Geschwindigkeitsdreieck für die Gleichdruckbeschaufelung geht zum einen hervor,dass die relative Dampfgeschwindigkeit w im Ein- und Austritt der Laufschaufel gleich bleibt.Also sind auch die Ein- und Austrittsquerschnitte des Laufrades gleich. Zum anderen wirddeutlich, dass der Dampf noch mit einer grossen Geschwindigkeit c 2 aus der Laufschaufelaustritt. Die Austrittsenergie, die in c 2 enthalten ist, sollte aber so klein wie möglich sein,damit die Energie aus der Zulaufgeschwindigkeit c 1 so weitgehend wie möglich an dasLaufrad übertragen wird. Es sind daher nachfolgende Laufräder erforderlich, in denen dieDampfgeschwindigkeit vollständig ausgenutzt werden kann bis nur eine mässigeAustrittsgeschwindigkeit übrig bleibt. Dazu muss der Dampfstrahl zunächst mit Hilfe von imGehäuse befestigten Umlenkschaufeln in ungefähr die ursprüngliche Richtung von c 1umgelenkt werden, um seine Geschwindigkeit in einem zweiten Laufschaufelkranz weiterausnutzen zu können. Meist werden zwei oder drei Laufschaufelkränze auf dem Umfangeeines Laufrades mit entsprechend ein bzw. zwei feststehenden Umlenkkränzen angeordnet.Die zur Geschwindigkeitsstufung verwendeten zwei- oder auch dreikränzig beschaufelten3 Bildquelle: W. Grote: Ein Beitrag zur modellbasierten Regelung von Entnahmeturbinen, DissertationRuhr-Universität Bochum, 2009.Dr.-Ing. Markus Franz | Dampfturbinen 8

DampfturbinenanlageLaufräder werden nach dem Amerikaner Curtis auch Curtisrad (2-C-Rad bzw. 3-C-Rad)genannt.In einer Überdruckbeschaufelung expandiert der Dampf in der Leitschaufel nicht wie in einerGleichdruckstufe bis auf den Enddruck, sondern auf einen höheren Spaltdruck p s , wobeiauch nur das diesem Druckgefälle entsprechende Enthalpiegefälle in Geschwindigkeitumgesetzt wird. Demzufolge tritt der Dampf aus der Leitvorrichtung mit einer gegenübereiner Gleichdruckstufe reduzierten Geschwindigkeit c 1 aus. In Bezug auf die mit derUmfangsgeschwindigkeit u bewegte Laufschaufel strömt der Dampf mit der relativenEintrittsgeschwindigkeit w 1 in die Laufschaufel ein. Da bei einer Überdruckbeschaufelung dieLaufschaufel ebenso wie die Leitschaufel als Düse ausgeprägt ist, erfolgt in der Laufschaufeleine weitere Expansion vom Spaltdruck p s bis auf den Enddruck. Infolge der Expansionnimmt die relative Geschwindigkeit in der Schaufel von w 1 auf w 2 zu, wodurch ein Rückstossauf die Schaufel ausgeübt wird. Wegen der Strömungsbeschleunigung muss beiÜberdruckbeschaufelung der Austrittsquerschnitt der Laufschaufel kleiner sein als derEintrittsquerschnitt.Aus der Laufschaufel tritt der Dampf mit der absolute Austrittsgeschwindigkeit c 2 aus, diewiederum möglichst klein sein sollte, um einen hohen Wirkungsgrad der Energieumsetzungzu erzielen. Jede weitere Stufe bestehend aus Leitvorrichtung und Laufrad ist wieder wieeine einstufige Überdruckturbine zu betrachten. Bei der Druckstufung wird folglich dasgesamte Enthalpiegefälle in viele Druckstufen unterteilt. Das einzelne Stufengefälle wird sogewählt, dass sich eine für die festgelegte Umfangsgeschwindigkeit günstigeDampfgeschwindigkeit c 1 ergibt, die in der Stufe möglichst vollständig verarbeitet werdenkann.Zusammenfassend kann festgehalten werden, dass der Unterschied zwischen GleichdruckundÜberdruckturbinen in der Methode zu sehen ist, mit dem die Energie des strömendenDampfes umgesetzt wird. In Gleichdruckturbinen ist das Stufengefälle, und damit dieDruckdifferenz gross. Zur Verarbeitung des grossen Gefälles erhält jede Druckstufe meistnoch Geschwindigkeitsstufen. Diese Ausführung erfordert weniger Stufen, jedoch sind dieStrömungsverluste in den Leit- und Laufschaufeln höher als bei reiner Druckstufung. InÜberdruckturbinen sind die Stufengefälle und Druckdifferenzen kleiner. Die reineDruckstufung hat aber den Nachteil grosser Stufenzahl, die eine entsprechend grosseBaulänge der Turbine zur Folge hat. Hinzu kommt, dass infolge der erforderlichen vollenBeaufschlagung der Überdruckbeschaufelung insbesondere bei kleinen Leistungen, alsogeringer Dampfmenge, die Schaufellängen im Hochdruckteil, wo das Dampfvolumensowieso gering ist, sehr klein werden würden. Bei Schaufellängen unter etwa 12 mm werdenaber die Spaltverluste im Vergleich zur durch die Schaufel strömenden Dampfmenge zugross, und der Stufenwirkungsgrad verschlechtert sich.Um diese Nachteile zu umgehen, wird vielfach eine Vereinigung von Gleichdruck- undÜberdruckwirkung angewendet, indem den Überdruckstufen zunächst ein Gleichdruckrad alsDr.-Ing. Markus Franz | Dampfturbinen 9

Dampfturbinenanlageerste Stufe vorgeschaltet wird. Dies kann ein 1-kränziges Gleichdruckrad (A-Rad) oder auchein 2-C-Rad sein. Aufgrund des hohen Stufengefälles, das in einer Gleichdruckstufeverarbeitet werden kann, wird das Volumen so gross, dass Stufendurchmesser undSchaufellänge der nachfolgenden, mit voller Beaufschlagung arbeitenden Überdruckstufegünstig gewählt werden kann. Da Gleichdruckstufen im Gegensatz zu Überdruckstufen nichtvoll (am ganzen Umfang) sondern auch nur teilweise (der Dampf füllt nur einen Teil desUmfanges aus) beaufschlagt sein können, kann das 2-C-Rad darüber hinaus auch ideal alsRegelstufe eingesetzt werden, indem eben die Leistungsregelung der Turbine durchMengenänderung mit Teilbeaufschlagung vorgenommen wird.3. Konstruktion einer Kondensationsturbine der ÜberdruckbauartDie geöffnete Turbine der Abbildung 4 bietet einen Blick auf den Turbinenläufer der 12 MWKondensationsturbine von Block II des Holzkraftwerks Domat/Ems. Die Turbine verfügt übereine Anzapfung bei 25 bar zur Prozessdampfversorgung und eine zweite Anzapfung bei 2.6bar für die Speisewasservorwärmung und Fernwärmeerzeugung.Abbildung 4 Turbinenläufer einer 12 MW-Kondensationsturbine mit zwei Anzapfungen (HolzkraftwerkTegra Block II).Dr.-Ing. Markus Franz | Dampfturbinen 10

Konstruktion einer Kondensationsturbine der ÜberdruckbauartAuf dem Turbinenläufer sind insgesamt 30 Stufen untergebracht, in denen das gesamteEnthalpiegefälle ausgehend von einem Frischdampfzustand von 65 bar, 477°C bis zu einemAbdampfdruck von 0.06 bar abgebaut wird. Bei isentroper Expansion entspricht dies einerGesamtenthalpiedifferenz von 1278 kJ/kg. Im Verlauf der Expansion nimmt das spezifischeVolumen des Dampfes um mehrere Zehnerpotenzen zu. Damit müssen auch dieStrömungsquerschnitte kontinuierlich grösser werden. Dies spiegelt sich in dem allmählichenÜbergang in den Durchmessern der Stufen wider. Die 30 Stufen sind zu fünf Stufengruppenmit gleichen Schaufelprofilen aber unterschiedlicher Schaufellänge zusammengefasst. Dieerste Stufe besteht aus einem einkränzigen Gleichdruckrad (A-Rad), in dem ein besondershohes Enthalpiegefälle verarbeitet werden kann. Danach beginnt die Überdruck-Beschaufelung mit 11 Stufen in der ersten Überdruck-Stufengruppe, 6 Stufen in der zweitenund 7 Stufen in der dritten Gruppe. Die Niederdruck-Endstufe hat 5 Stufen.In den Hoch- und Mitteldruckstufen werden die Leit- und Laufschaufeln mit Deckbändernausgeführt. Dagegen kommen im Niederdruckteil der Turbine tragflügelähnlicheSchaufelprofile mit freien Schaufelenden zur Anwendung. Die Laufschaufeln des letztenExpansionsabschnitts sind am höchsten beansprucht. Im Niederdruckteil der Turbine besitztder Dampf ein so grosses spezifisches Volumen, dass die Endschaufeln sehr lang werdenkönnen. Infolge dessen können die Fliehkräfte aus der Eigenmasse und damit dieZugbeanspruchungen sehr gross werden. Hinzu kommen zusätzliche Belastungen durchBiegung infolge der Umlenkung des Dampfstrahls als auch durch Schwingungen, wasbesonders bei langen Schaufeln von Bedeutung ist. Da die letzten Stufen vonKondensationsturbinen zudem im Nassdampfgebiet arbeiten, sind die Schaufelkantendarüber hinaus der Erosion durch die sich im Abdampf bildenden Wassertropfen ausgesetzt.Zum Schutz der Endschaufeln kann daher die Expansion nur bis zu einem Wassergehalt vonmax. 10% geführt werden.Abbildung 5 zeigt das einkränzige Gleichdruckrad (Laufrad mit Gleichdruckbeschaufelung),das als Regelstufe der Überdruck-Beschaufelung vorgeschaltet ist. Der Durchmesser derGleichdruckrades ist wesentlich grösser als der Durchmesser der nachfolgenden erstenÜberdruckstufe. Dies ist aus konstruktiven Gründen erwünscht. Der dadurch entstehendeRaum zwischen Gleichdruckrad und erster Überdruckstufe wird als Radkammer bezeichnet.Damit die Leistung der Turbine durch Verändern des Dampfdurchsatzes geregelt werdenkann, wird das Gleichdruckrad teilbeaufschlagt. Dazu wird der Frischdampfmassenstrom aufmehrere Düsengruppen aufgeteilt. Jede Düsengruppe ist mit einem separatenFrischdampfventil ausgestattet, so dass jede Düsengruppe einzeln geregelt werden kann.Der Vorteil der Düsengruppenregelung besteht darin, dass die Ventile je nachTeillastsituation nacheinander geöffnet werden können. Da immer nur eine Düsengruppegedrosselt wird, während alle anderen aktiven Düsengruppen voll beaufschlagt sind, werdendie Drosselverluste im Teillastbetrieb verringert.Dr.-Ing. Markus Franz | Dampfturbinen 11

Konstruktion einer Kondensationsturbine der ÜberdruckbauartAbbildung 5 Ein Gleichdruckrad als Regelstufe ist den ersten 11 HD-Stufen vorgeschaltet.Einen detaillierten Eindruck von der ersten Hochdruck-Stufengruppe vermittelt die Abbildung6. Man erkennt im Vordergrund den Leitschaufelträger, in den die Leitschaufeln eingesetztsind, sowie die Laufräder in der oberen Bildhälfte. Die Leitschaufeln des Überdruckteilswerden nicht direkt im Turbinengehäuse befestigt, sondern sind in einem Leitschaufelträgernuntergebracht, der wiederum mittels Stegen wärmeelastisch im eigentlichenTurbinengehäuse abgestützt ist. Diese Konstruktion macht es möglich, dass derLeitschaufelträger sowohl von innen als auch von aussen her durch den Anzapfdampf, dersich dort sammelt, umströmt wird. Dadurch findet beim Anfahren ein schnellerTemperaturausgleich zwischen dem Turbinenläufer und dem dampfumspültenLeitschaufelträger statt, so dass grosse Wärmedehnungsunterschiede zwischen dem Läuferund den feststehenden Leitschaufeln nicht entstehen und die Schaufelspiele gering gehaltenwerden können.Ebenfalls gut zu erkennen sind die auf dem Leitschaufelträger angebrachtenLabyrinthspitzen, die die Spaltstellen zwischen den Deckbändern der Laufschaufeln und demLeitschaufelträger so stark wie möglich verengen sollen. So kann der Dampfdurchfluss anDr.-Ing. Markus Franz | Dampfturbinen 12

Konstruktion einer Kondensationsturbine der Überdruckbauartdieser Stelle, respektive der Spaltverlust niedrig gehalten und ein guter Stufenwirkungsgraderreicht werden.Abbildung 6 Hochdruckseitige Beschaufelung mit Deckplattenschaufeln und Leitschaufelträger.Die Drehzahl der Turbine liegt mit 7'200 min -1 wesentlich über den normalenGeneratordrehzahlen von 3000 min -1 . Zum Antrieb eines Generators muss daher zwischenTurbine und Generator ist ein Getriebe geschaltet werden. Allgemein habenKondensationsturbinen im kleinen Leistungsbereich bis etwa 25 MW wegen des grösserenWärmegefälles nur geringe Dampfdurchsätze. Entsprechend kleine Strömungsquerschnitteim Hochdruckteil sind die Folge. Um dennoch ausreichende Schaufellängen zu erhalten,muss ein kleiner Stufendurchmesser gewählt werden. Damit einhergehend muss aber dieDrehzahlen entsprechend erhöht werden, um trotz des kleinen Durchmessers ausreichendhohe Umfangsgeschwindigkeiten zu erhalten. Aufgrund der höheren Wirkungsgrade und dergünstigeren Investitionen werden Dampfturbinen bis zu elektrischen Leistungen von ca. 40MW als Getriebeturbinen ausgeführt, darüber als direkttreibende Turbinen.Dr.-Ing. Markus Franz | Dampfturbinen 13

Heizturbinen4. HeizturbinenHolzkraftwerke, die mit Kraft-Wärmekopplung betrieben werden, sind mit Heizturbinen zurVersorgung der Wärmeabnehmer mit Heisswasser oder Dampf ausgestattet. Während dieFernwärmeversorgung vor allem auf Heisswasser basiert, benötigen viele Industriezweige,wie die chemische Industrie, die Papierindustrie, Brauereien und Zuckerfabriken grosseMengen Heizdampf.Der Dampfturbinenprozess bietet grundsätzlich zwei Möglichkeiten, um parallel elektrischenStrom und Heizwärme zu liefern. Das ist einerseits der Gegendruckbetrieb, bei dem derDampf in der Turbine auf den Druck des Heizdampfnetzes entspannt wird, dem derTurbinenabdampf zugeführt wird. Und andererseits der Kondensations-Entnahmebetrieb, beidem die zur Heizwassererwärmung oder Prozessdampfversorgung benötigte Dampfmengeder Turbine durch Anzapfung an bestimmten Stellen im Mittel- oder Niederdruckteilentnommen wird. Die Bezeichnung Gegendruck wird gewählt, weil der Druck imAbdampfstutzen der Turbine je nach Verwendungszweck oder Druckniveau des zuversorgenden Dampfnetzes im Überdruckbereich liegt. Reine Gegendruckturbinen sind nurdann einsetzbar, wenn eine bestimmte Heizdampfmenge mit möglichst konstanter Leistungabgegeben werden kann. Bei stark schwankendem Bedarf, wie er etwa in Industriebetriebenmit einem zwischen Tag- und Nachtlast intermittierendem Betrieb gegeben ist, sindGegendruckturbinen nicht geeignet. In diesem Fall ist es zweckmässig, statt einerGegendruckturbine eine Turbine mit Niederdruckstufe einzusetzen, in welcher der beigeringer Produktion oder Produktionsstillständen nicht benötigte Dampf bis aufKondensatordruck zur zusätzlichen Stromerzeugung ausgenutzt werden kann. Bei solchenEntnahme- oder Anzapfturbinen wird nur die dem augenblicklichen Bedarf entsprechendeHeizdampfmenge aus einer Stufe mit entsprechendem Druck entnommen, die übrigeDampfmenge wird im Niederdruckteil der Turbine auf Kondensatordruck entspannt. Wird garnichts entnommen, so arbeitet die Turbine als reine Kondensationsturbine. Die maximaleHeizdampfentnahme ist begrenzt und wird bestimmt durch die minimale Dampfmenge, die imNiederdruckteil der Turbine als Kühldampf weiterströmen muss. Dieser minimale Leerlauf-Dampfdurchsatz beträgt 8-10 Prozent der Vollast-Dampfmenge.Entsprechend den zwei Möglichkeiten, wie Dampf mit Hilfe von Stutzen amTurbinengehäuse entnommen werden kann, unterscheidet man zwischen Anzapf- undEntnahmeturbinen. In Abbildung 7 ist eine Entnahmeturbine gezeigt mit einer Anzapfung imHochdruckteil und einer Entnahmestelle im Niederdruckteil. Die einfachste Konstruktion istdie Anzapfung, bei der die Dampfentnahme in Bezug auf den Dampfdruck ungeregelt erfolgt.Der Druck an der Anzapfstelle schwankt in Abhängigkeit der Belastung der Turbine und derAnzapfmenge. Die Folge ist, dass im Teillastbetrieb oder bei grossen Anzapfmengen, alsokleinen weiterströmenden Dampfmengen, der geforderte Druck an der Anzapfstelle nichtmehr gehalten werden kann. Eine Anzapfung wird daher meist mit einem höheren Druckausgelegt, damit sie über einen grösseren Betriebsbereich verwendet werden kann. Derveränderliche Druck wird dann mit einem in der Anzapfleitung angeordneten Anzapfventil aufden konstanten Druck der gespeisten Dampfschiene gedrosselt. Um Drosselverluste zuDr.-Ing. Markus Franz | Dampfturbinen 14

Heizturbinenvermeiden, können alternativ auch zwei Anzapfstellen an unterschiedlichen Turbinenstufenangebracht werden, die dann in Abhängigkeit von den Anzapfdrücken umgeschaltet werden.Derartige Wanderanzapfungen sind aber aufwendig und entsprechend kostspielig.Abbildung 7 40 MW Entnahmedampfturbine mit einer Hochdruck-Anzapfung und einer Entnahme 4 .Wenn die Dampfzustände in Dampfnetzen garantiert werden müssen, ist es angebracht, denHeizdampfdruck an der Entnahmestelle durch eine geeignete Regelung konstant zu halten.Als Stellglied der Regelstrecke dient ein der Entnahmestelle nachgeschaltetesÜberströmventil. Eine Entnahmeturbine besteht demnach aus zwei getrennten Teilen, demHochdruck- und dem Niederdruckteil, zwischen denen sich die Entnahmestelle befindet unddie durch ein Überströmventil verbunden sind. Bei eingeschalteter Entnahmesteuerung wirddie Dampfströmung im Überströmventil gedrosselt, und zwar umso mehr, je kleiner dieweiterströmende Dampfmenge bzw. je grösser die entnommene Dampfmenge ist. Dieweiterströmende Dampfmenge wird im Niederdruckteil bis auf Kondensatordruck entspannt.4 Bildquelle: MAN TurboDr.-Ing. Markus Franz | Dampfturbinen 15

HeizturbinenAbbildung 8 Entnahmediagramm für eine 900 kW Gleichdruckturbine; Frischdampf 28 bar/450°C;Entnahmedampf 5 bar/280°CDer Zusammenhang zwischen Kupplungsleistung und Dampfdurchsatz bei verschiedenenEntnahmemengen ist in Abbildung 8 gezeigt. Im Entnahmediagramm ist über der Abszissemit der Kupplungsleistung die erforderliche Dampfmenge aufgetragen. Bei abgestellterEntnahmesteuerung, also bei vollständig offenem Überströmventil, herrscht reinerKondensationsbetrieb. Für diesen Betriebspunkt können die Dampfverbrauchswerte an derrechten Grenzlinie der Kurvenschar abgelesen werden. Bei eingeschalteterEntnahmesteuerung wird vor dem Überströmventil Dampf aus der Turbine entnommen,dessen Druck durch Drosseln im Überströmventil konstant gehalten wird. DieDampfverbrauchswerte können über den Leistungen für verschiedene Entnahmemengenabgelesen werden. Die linke Grenzlinie der Kurvenschar betrifft den Turbinenbetrieb mitmaximaler Entnahmemenge. Dabei ist zu berücksichtigen, dass bei voller Dampfentnahmenoch 8-10 Prozent der Vollast-Dampfmenge als Kühldampf für die mitlaufendeNiederdruckturbine verbleiben muss.Gegendruckturbinen stellen das vergleichsweise kostengünstigste Aggregat dar. Sieverarbeiten meist nur kleinere Druckgefälle, und die Schaufellängen zwischen Eintritt undDr.-Ing. Markus Franz | Dampfturbinen 16

HeizturbinenAustritt nehmen nur wenig zu. Entnahme-Kondensationsturbinen sind deutlich grösser undteurer als reine Kondensationsturbinen oder reine Gegendruckturbinen. Ausser denAufwendungen für die konstruktionsbedingt grösseren Gehäuse sind auch die hohentechnischen Anforderungen an die Anpassung der Beschaufelung bei Heiz- undKondensationsbetrieb zu berücksichtigen.5. Die verschiedenen Betriebsarten und die Regelung vonDampfturbinenAbbildung 9 zeigt das Schema einer Entnahme-Kondensationsturbine. Der im Kesselerzeugte Frischdampf tritt durch das Frischdampfventil u 1 in die Turbine ein und expandiertim Hochdruckteil. Zwischen Hoch- und Mitteldruckteil befindet sich eine Anzapfstelle, überdie eine Hochdruck-Dampfschiene versorgt wird. Mit dem Ventil u 2 wird der Anzapfdruck aufden Druck p E1 der Mitteldruck-Dampfschiene gedrosselt. Der grössere Dampfanteil, der nichtin die Schiene strömt, durchläuft den Mitteldruckteil der Dampfturbine. ZwischenMitteldruckteil und Niederdruckteil der Turbine befindet sich das Überströmventil u 3 , mit demder Druck der Niederdruck-Dampfschiene p E2 geregelt wird. Gleichzeitig wird der Durchflussdurch den Niederdruckteil der Turbine gedrosselt. Mit ihren drei Ventilen besitzt dieabgebildete Maschine drei Stellglieder, an denen Stelleingriffe vorgenommen werdenkönnen, um auftretende Regelabweichungen auszuregeln.Abbildung 9 Schema einer EntnahmeturbineJe nach Betriebsart muss eine Dampfturbine verschiedene Regelaufgaben erfüllen. GängigeRegelaufgaben sind beispielsweise die Generatorleistung auf einen vorgegebenen Wert zubringen und konstant zu halten oder den Frischdampfdruck konstant zu halten. BeiGegendruckturbinen wird generell der Gegendruck und bei Entnahmeturbinen derEntnahmedruck geregelt. Darüber hinaus unterscheidet man die folgenden Betriebsarten:Dr.-Ing. Markus Franz | Dampfturbinen 17

Die verschiedenen Betriebsarten und die Regelung von DampfturbinenLeistungsregelungIn der Betriebsart Leistungsregelung wird die vom Generator an das elektrische Verbundnetzabgegebene Leistung geregelt. Kraftwerke müssen mit dem Netzbetreiber diebereitzustellende Leistung abstimmen, die dann als Sollwert für die Leistungsregelung dient.Über eine Änderung des Stellhubs des Frischdampfventils kann die Wellenabtriebsleistungund somit auch die Generatorleistung geregelt werden.FrequenzregelungWenn keine Verbindung zum öffentlichen Verbundnetz besteht, muss der Dampfturbosatzden Eigenverbrauch des Kraftwerks und evtl. den elektrischen Verbrauch einesIndustriebetriebes sicherstellen (Inselbetrieb). Die Regelgrösse ist in diesem Fall dieFrequenz des Inselnetzes bzw. indirekt die Drehzahl der Dampfturbine. Mit der Regelung derFrequenz des Inselnetzes lässt sich sicherstellen, dass die elektrische Leistungserzeugungmit dem momentanen Verbrauch der Insel übereinstimmt.Aber auch Kraftwerke, die an der Primärregelung des Übertragungsnetzbetreibersteilnehmen (meist alle Kraftwerke über 100 MW Nennleistung), sind einer Frequenzregelungunterworfen. In der Betriebsart Leistungsregelung läuft die Antriebswelle der Turbineentsprechend der Netzfrequenz von 50 Hz mit einer Drehzahl von 3000 U/min. AufBelastungsschwankungen, die permanent im gesamten Netzbereich stattfinden, reagierendie Schwungmassen der Rotoren in den Kraftwerken mit einer Drehzahländerung, diezugleich die momentane Frequenz des erzeugten Stroms verändert. Bei aktiverPrimärregelung wird nun die Netzfrequenz mit der Sollfrequenz von 50 Hz verglichen. Beiabnehmender Netzfrequenz wird das Drehmoment und damit auch die Leistung desTurbosatzes erhöht und bei Frequenzsteigerung entsprechend vermindert.DrehzahlregelungWenn die Turbine im Leerlauf ist, beispielsweise beim Hochfahren in der Phase derSynchronisation ans Netz, wird die Drehzahl geregelt. Die Betriebsart Drehzahlregelungähnelt der Betriebsart Frequenzregelung bis auf den Fakt, dass der Generator keineLeistung produziert, also die Turbine nicht belastet ist.VordruckregelungIn der Betriebsart Vordruckregelung ist der Frischdampfdruck die Regelgrösse. Die inHolzkraftwerken arbeitenden Dampfturbinen werden vorherrschend mit einerVordruckregelung betrieben, um den Kesseldruck auf dem gewünschten Wert zu halten. DieRegelung des Kesseldrucks über die Feuerleistungsregelung ist bei einem holzgefeuertenDampferzeuger aufgrund der Trägheit der Feuerung nur schwer realisierbar. Die relativschnelle Turbine bietet hingegen einen schnellen Regeleingriff auf den trägenDampferzeuger, so dass auch bei schnellen Änderungen des Frischdampfverbrauchs derKesseldruck konstant bleibt. Die Dampfturbine dient quasi als Stellglied für denBetriebsdruck des Dampferzeugers. Die in das Verbundnetz eingespeiste elektrischeLeistung ist gewissermaßen ein Nebenprodukt. Ihr Wert schwankt mit der Stellbewegung desFrischdampfventils.Dr.-Ing. Markus Franz | Dampfturbinen 18

Die verschiedenen Betriebsarten und die Regelung von DampfturbinenGegendruckregelungIn der Betriebsart Gegendruckregelung wird die Turbine als Stellglied für den Dampfdruck inder Niederdruckschiene eingesetzt. Mit Stelleingriffen auf das Frischdampfventil wirdsichergestellt, dass die entnommene Dampfmenge der Niederdruckverbraucher imGleichgewicht mit der in die Niederdruckschiene einströmenden Menge ist und der Druckgehalten wird. Die an das Verbundnetz abgegebene elektrische Leistung ist hier ebenfallsein Nebenprodukt.Regelung der EntnahmeturbineMit Korrekturbewegungen am Überströmventil wird der Druck in der Entnahme-Dampfschiene konstant gehalten. Bei Änderung der Entnahmedampfmenge muss derDruckregler das Überströmventil bei geringerem Bedarf mehr öffnen, bei zunehmendemBedarf mehr schliessen. Bei Vordruckregelung hat diese Stellbewegung desÜberströmventils keine Auswirkungen auf das Frischdampfventil, und die Turbinenleistungschwankt in Abhängigkeit der entnommenen Dampfmenge. Wenn aber die Leistung derTurbine auch bei Dampfentnahme konstant bleiben soll, muss im umgekehrten Sinne zurStellbewegung des Überströmventils das Frischdampfventil betätigt werden, also beiDampfentnahme mehr öffnen, bei reduzierter Entnahme mehr schliessen.Entsprechend Gleichung 3 kann die Leistung einer Dampfturbine geregelt werden, indementweder die Dampfdurchsatz oder das Enthalpiegefälle geändert wird. Es gibtgrundsätzlich drei Möglichkeiten der Dampfturbinenregelung: Änderung des Frischdampfdrucks durch Drosseln (Drosselregelung) Änderung der Frischdampfmenge durch Ab- oder Zuschalten von Düsenventilen(Mengenregelung) Gleitdruckregelung durch Variation des KesseldrucksDrosselregelungÜber den Stellhub des Frischdampfventils kann infolge der im Ventil auftretendenDrosselung der Turbineneintrittsdruck vermindert werden. Dadurch verringert sich ebenfallsdas der Turbine zur Verfügung stehende Enthalpiegefälle. Proportional dem Druck vor derersten voll beaufschlagten Stufe nimmt auch der Dampfdurchsatz ab. Bei derDrosselregelung werden also sowohl die Enthalpie des Dampfes am Turbineneintritt als auchdie arbeitende Dampfmenge verändert. Die Drosselregelung ist einfach im konstruktivenAufbau, weil nur ein Ventil benötigt wird. Nachteilig ist, dass das Drosseln ein nichtumkehrbarer Prozess mit Entropievermehrung ist. Je kleiner die Teillast ist, umso mehrEnthalpiegefälle muss weggedrosselt werden.MengenregelungUm die im Teillastbetrieb entstehenden Drosselverluste zu vermeiden, werden Turbinen, dieoft an verschiedenen Betriebspunkten eingesetzt werden, mit einer Mengenregelung(Düsengruppenregelung) ausgestattet. Das Laufrad wird hierzu nicht über seinen gesamtenDr.-Ing. Markus Franz | Dampfturbinen 19

Die verschiedenen Betriebsarten und die Regelung von DampfturbinenKreisumfang angeströmt, stattdessen werden nur Teile des Gesamtumfangs mit Dampfbeaufschlagt. Eine derartige Teilbeaufschlagung des Laufrades ist nur bei Gleichdruckstufendurchführbar, ohne dass sich Störungen in der Dampfströmung (Rückströmungen)einstellen. Bei Mengenregelung muss also die erste Turbinenstufe immer aus einerGleichdruckstufe bestehen. Auch Turbinen der Überdruckbauart erhaltenMengenregelungen, indem ihnen eine Gleichdruck-Regelstufe vorgeschaltet wird. In derkonstruktiven Ausführung werden die Düsen des Leitrades der Gleichdruckstufe zuDüsengruppen zusammengefasst, die über Düsengruppenventile je nach Lastzustand zuoderabgeschaltet werden. Je mehr Düsengruppenventile die Turbine erhält, umsofeinstufiger kann die Leistung geändert werden. Zwischen den einzelnen Ab- oderZuschaltungen wird dennoch eine Drosselung erforderlich sein, um eine kontinuierlicheLeistungsänderung zu ermöglichen. Da aber immer nur eine Düsengruppe gedrosselt wird,während alle anderen aktiven Düsengruppenventile entweder voll geöffnet oder geschlossensind, sind die Verluste im Teillastbetrieb geringer.GleitdruckregelungDie mechanischen Beanspruchungen, denen die Laufschaufeln der Regelstufe infolge derTeilbeaufschlagung ausgesetzt sind, werden mit zunehmender Turbinenleistung immergrösser. Aus diesem Grund wird die Leistungsregelung von Grossturbinen nicht mehr an derTurbine selbst, sondern im Dampferzeuger vorgenommen. Bei der Gleitdruckregelung bleibtbei allen Laststufen das Frischdampfventil ständig maximal geöffnet und die ersteTurbinenstufe wird immer voll beaufschlagt. Die Turbinenleistung wird also weder durchDrosseln noch mittels Teilbeaufschlagung, sondern durch eine Änderung des Kesseldrucksgeregelt. Der Kesseldruck dient als Stellgrösse und wird an die Leistungsanforderungangepasst. Bei Absenken des Kesseldruckes stellt sich ein kleinerer Dampfstrom undproportional dazu eine geringere Turbinenleistung ein. Bei Teillast ist also der Kesseldruckniedriger als bei Volllast.Ein Gleitdruckbetrieb ist nur bei Zwangdurchlaufkesseln durchführbar. Außerdem kann dieGleitdruckregelung nur für Kraftwerke mit Blockschaltung eingesetzt werden, bei der nur eineTurbine als alleiniger Dampfverbraucher vorhanden ist. Und da bei Gleitdruckregelung eineLeistungssteigerung durch eine nur allmählich machbare Steigerung des Kesseldrucksbewerkstelligt werden muss, werden derartig geregelte Kraftwerke besser zurGrundlastabdeckung eingesetzt, wo schnelle Leistungsänderungen nicht angefordertwerden.Dr.-Ing. Markus Franz | Dampfturbinen 20

Dampfturbinenanlage6. DampfturbinenanlageZu einer vollständigen Dampfturbinenanlage gehört neben dem Dampfturbosatz auch eineKondensationsanlage sowie ein Dampf- und Kondensatkreislauf mit den erforderlichenBehältern, Pumpen und verbindenden Rohrleitungen. Der komplette Lieferumfang einesDampfturbosatzes besteht im Einzelnen aus den Komponenten: Dampfturbine Generator Turbinenregelung Hydraulikanlage Entwässerungseinrichtung Generatorkühlanlage einschl. Rückkühlwerk Feuerlöscheinrichtung Generatorschaltanlage E-/MSR-TechnikEin kompletter Dampf- und Kondensatkreislauf einschliesslich aller zugehörigenKomponenten besteht im Regelfall aus: Oberflächenkondensator mit Rückkühlanlage einschl. Kühlwasserpumpen,Rohrleitungen und Armaturen oder Luftkondensator mit Kondensatsammelbehälter und Abdampfleitung ab Turbine Evakuierungsanlage Nebenkondensatbehälter Kondensatpumpensatz zugehörige Kondensatleitungen einschl. Armaturen Entgaser-/Speisewasserbehälter Kessel-/Speisepumpen evtl. Speisewasservorwärmer Frischdampfleitungen zwischen Kessel, Turbine und Entgaser zugehörige E-/MSR-TechnikJe nach Leistungsgrösse wird der Dampfturbosatz entweder komplett montiert auf einemGrundrahmen geliefert oder bei grossen Aggregaten vor Ort aus Einzelkomponentenaufgebaut. Der erstere Fall trifft bei Gleichdruck-Dampfturbinen in axialer oder radialerBauart zu, die im Leistungsbereich bis ca. 5 MW eingesetzt werden. Oberhalb von ca. 5 MWelektrischer Leistung werden vielstufige axiale Überdruckturbinen eingesetzt, die inaufwändigen Konstruktionen mit horizontal geteilten Gehäusen ausgeführt werden.Der Dampfturbosatz wird auf ein Turbinenfundament gestellt, das die statischen unddynamischen Beanspruchungen des Turbosatzes aufnehmen kann. Das eigentlicheFundament wird schwingungsisoliert auf einer genügend dicken, in den Erdbodeneingelassenen Fundamentplatte aufgebaut. Das Gewicht der Platte soll mindestens gleichder Summe des auf ihr ruhenden Gewichtes von Maschine und Fundament sein. UmDr.-Ing. Markus Franz | Dampfturbinen 21

Dampfturbinenanlageunterhalb der Turbine genügend Raum für eine günstige Disposition des Kondensators, derHydraulikölanlage, der Generatorkühlung und sonstiger Nebeneinrichtungen zur Verfügungzu haben, wird das Turbinenfundament im Regelfall auf einer Höhe von 3 bis 6 Meternangeordnet.Der aus dem Niederdruckteil der Turbine strömenden Abdampf muss kondensiert werden.Die dazu erforderliche Kondensationsanlage kann entweder mit einem Wasserkondensatoroder mit einem Luftkondensator (Luko) konzipiert werden. In Abbildung 10 ist dasSchaltschema einer Kondensationsanlage mit einem Wasserkondensator dargestellt, durchden Kühlwasser in eingebauten Rohrbündeln geleitet wird. Der Turbinenabdampf tritt vonoben in den Kondensator ein und trifft auf die Kühlrohre, an dessen Oberfläche er sichniederschlägt. Das Kondensat sammelt sich in einem an der tiefsten Stelle desKondensators angebrachten Kondensatsammelbehälter, von wo aus es in denSpeisewasserbehälter gepumpt wird. Das erforderliche Kühlwasser kann entweder auseinem Fluss entnommen werden, in den meisten Fällen steht jedoch Flusswasser nicht zurVerfügung bzw. dessen Nutzung wird nicht genehmigt, so dass ein Kühlwasserkreislauferrichtet werden muss, in dem die erforderliche Kühlwassermenge über einen Kühlturmgeführt wird. Mit einem Ventilator wird Luft im Gegenstrom zum herabrieselnden Wasserdurch den Kühlturm geblasen. Dabei verdunsten etwa 1.5 bis 2.5% der umlaufendenWassermenge, was eine Abkühlung des Wassers zur Folge hat. Das Verdunstungswassermuss mit Zusatzwasser ersetzt werden. Als Wert für die Grädigkeit des Kondensatorskönnen ca. 5-10 Kelvin angesetzt werden, d.h. bei einer Kühlwasser-Vorlauftemperatur von20°C erhält man eine Kondensattemperatur von 25-30°C.feuchte LuftTurbinenabdampfKondensatorWarmwasserZusatzwasserKondensatpumpeEvakuierungsanlageKaltwasserSpeisewasserbehälterAbsalzungFlussAbbildung 10 Kreislaufkühlung mit Wasserkondensator und KühlturmDr.-Ing. Markus Franz | Dampfturbinen 22

DampfturbinenanlageDurch Undichtheiten dringt auch während des Betriebs immer etwas Luft von aussen in dieKondensationsanlage ein. Ursache sind im Unterdruckgebiet liegende Flanschverbindungenan Turbine, Kondensator, Schiebern und Ventilen. Da diese Lufteinbrüche das Vakuum mitder Zeit verschlechtern würden, muss jede Kondensationsanlage mit einerEvakuierungsanlage ausgestattet werden, mit der die Luft abgesaugt werden kann. Fürdiesen Zweck können Strahlapparate, die nach dem Ejektorprinzip arbeiten, d.h. derUnterdruck wird mit einem in einer Treibdüse auf hohe Geschwindigkeit gebrachten WasseroderDampfstrahl erzeugt, oder auch Wasserringpumpen eingesetzt werden.In Holzkraftwerken werden zur Kondensation des Turbinenabdampfs überwiegendLuftkondensationsanlagen eingesetzt (Abbildung 11). Die Kondensatorelemente einesLuftkondensators (Luko) bestehen aus einer Vielzahl parallel angeordneter Rohre mitaufgelöteten Aluminiumrippen. Der Dampf kondensiert auf der Rohrinnenseite, während aufder Aussenseite Kühlluft durch die Rippen geblasen wird. Die Kondensatorelemente sinddachförmig angeordnet und schliessen an eine gemeinsame Dampfverteilleitung an, diegewissermaßen den First des Daches bildet. Der aus der Turbine strömende Abdampf wirddurch eine Abdampfleitung zur Dampfverteilleitung geführt, und dann im Parallelstrom vonDampf und Kondensat in den Rippenrohren niedergeschlagen. Die für die Förderung derKühlluft erforderlichen Axialventilatoren sind im unteren Teil des Daches angeordnet.Das Kondensat wird in einem Kondensatbehälter gesammelt und von dort in denSpeisewasserbehälter zurückgepumpt. Luftkondensatoren werden häufig so ausgelegt, dasssich bei 28°C Lufttemperatur Kondensationstemperaturen von ca. 55-60°C einstellen.TurbinenabdampfWarmluftKondensatbehälterEvakuierungsanlageSpeisewasserbehälterKondensatpumpeAbbildung 11 LuftkondensationsanlageDr.-Ing. Markus Franz | Dampfturbinen 23

DampfturbinenanlageAbbildung 12 Dampfturbinenanlage mit Luftkondensator für eine Abdampfmenge von 45 t/h.Während ein Wasserkondensator meist direkt unterhalb der Turbine aufgestellt wird, gibt esfür die Anordnung eines Luftkondensators grundsätzlich zwei Möglichkeiten. Der Luko kannentweder neben oder oberhalb des Dampfturbosatzes angeordnet werden. Massgebend fürdie Aufstellungsart des Luko wird die Platzfrage sein. Bei der Anordnung neben der Turbinesind freie Flächen neben dem Maschinenhaus erforderlich, währen die Aufstellung oberhalbdes Turbosatzes zwar Baufläche einspart aber entsprechende Bauhöhe benötigt. Vongrundsätzlicher Bedeutung für jede Disposition der Luftkondensationsanlage ist die FrageDr.-Ing. Markus Franz | Dampfturbinen 24

Dampfturbinenanlageder Länge der Abdampfleitung zwischen Turbine und Kondensator. Generell ist darauf zuachten, dass die Abdampfleitung zwischen Turbosatz und Luko so kurz wie möglich gestaltetwird, da ansonsten der Druckverlust und damit auch der Druck am Turbinenaustritt ansteigt,was eine Wirkungsgradeinbusse bedeutet. Abbildung 12 zeigt eine Dampfturbinenanlage mitAufstellung des Luftkondensators über dem Turbosatz. Der Abdampfstutzen wird direkt nachoben aus dem Niederdruckteil der Turbine herausgeführt und über drei 90-Grad-Bögen zurDampfverteilleitung des Luko geführt. In Abbildung 13 ist das Holzkraftwerk Neubrückegezeigt, das einen über dem Turbosatz angeordneten Luko hat.Abbildung 13 HKW-Neubrücke mit Aufstellung des Luko über dem Turbosatz.Dr.-Ing. Markus Franz | Dampfturbinen 25